Nano Letters | 一种基于光-热与辐射制冷的被动式淡水收集三维解耦设计

背景介绍

水是人类生存的基本要素，尽管地球拥有丰富的水资源，但淡水资源短缺问题仍然是一个严峻而紧迫的全球性挑战，特别是在电力缺乏的欠发达与偏远地区。传统的水处理方式（如：蒸发、过滤膜等）往往需要消耗大量的化石能源，随着“双碳”战略目标的推进，实现高效被动式淡水收集对于缓解淡水资源淡水与能源危机具有十分重要的意义。光-热蒸发作为一种清洁、可持续的水处理方法，无需消耗额外的化石能源，在淡水收集领域展现出巨大的潜力，然而，其实际系统淡水收集速率远低于其单一蒸发速率，极大制约了其实际大规模应用。因此，开展被动式光-热蒸发淡水收集技术研究具有十分重要的意义。

成果展示

基于此，本文对蒸发端吸光侧与蒸发侧、冷凝端冷却侧与冷凝侧进行解耦设计。在蒸发端吸光侧，通过置换反应可控制备了柔性可折叠光-热选择性吸收涂层，其太阳光吸收率可达0.92，中红外发射率低至0.1，并通过耦合对流屏障极大提升了吸光侧光-热转换效率；在蒸发端蒸发侧，通过氧化与原位聚合对铜泡沫进行改性，使其具有较高抗重力水输运速率（0.042 m s-1）与较低的蒸发焓（1297 J g-1），有效提升了其蒸发速率。并将吸光侧与蒸发侧折叠成V型三维结构，1倍光强下其蒸发速率可达4.31 kg m-2 h-1的蒸发速率。在冷凝端冷却侧，将辐射制冷涂层涂覆在三维翅片结构表面，耦合日间被动式辐射制冷与自然对流冷却，其温降比单一平板基底低3.5 oC（相同热源下）；在冷凝端冷凝侧，通过设置铜柱阵列结构，并将其改性为疏水（142°），提高蒸汽的冷凝与液滴的脱落性能。通过蒸发端与冷凝端解耦设计、耦合被动式加热与冷却，在室内1倍光强下，该装置淡水收集速率可达2.06 kg m-2 h-1；室外淡水收集速率高达2.34 kg m-2 h-1。这项工作所设计的被动式淡水收集策略，通过选择性光谱调控实现高效光-热与辐射制冷，在三维结构上对蒸发与冷凝过程进行解耦设计，实现了高效被动式淡水收集。研究成果以“An All-Passive and Macropatterned Architecture Design for Water Harvesting”为题发表在期刊Nano Letters上。

图1 工作原理及系统设计：（a）解耦式蒸发-冷凝系统工作原理示意图；（b）被动式反式蒸发淡水收集意图；（c）蒸发-冷凝结构中的热-质传递过程示意图

图2 光-热蒸发性能：（a）选择性光-热蒸发的原理示意图；（b）光-热涂层的扫描电镜图像和实物图像；（c）光-热涂层的光谱反射率曲线；（d）铜/氧化铜-聚吡咯泡沫的扫描电镜图像；（e）纯水、棉布和铜/氧化铜-聚吡咯泡沫的蒸发焓；（f）铜/氧化铜-聚吡咯的拉曼光谱；（g）基于毛细输水特性测量的铜/氧化铜-聚吡咯泡沫和棉布在不同时刻下的液位变化曲线；（h）光-热涂层结合棉布、结合铜/氧化铜-聚吡咯泡沫蒸发的质量变化曲线；（i）平面、V型光-热涂层耦合铜/氧化铜-聚吡咯泡沫的蒸发质量变化；（j）不同折叠角度（宽2cm，高3.7cm，泡沫厚度1mm）、（k）不同泡沫厚度（宽2cm，高3.7cm，角度30°）、（l）不同高度（宽2cm，泡沫厚度1mm，角度30°）下V型蒸发器的蒸发速率。所有实验模拟的太阳强度均为1倍光强

图3 蒸汽冷凝性能：（a）冷凝端的原理示意图；（b）辐射制冷涂层的光谱反射率；（c）辐射制涂层的光学和扫描电镜图像；（d）高于环境温度：二维铝板、表面涂覆辐射制冷涂层的二维铝板、三维铝散热器、翅片涂覆辐射制冷涂层的三维铝散热器和环境温度曲线以及相对湿度、光强数据曲线（加热功率为300W m-2）；（e）低于环境温度：四个样品和环境温度曲线以及相对湿度、光强数据曲线；（f）铜、氧化铜、疏水纳米氧化铜的实物图和扫描电镜图以及接触角；（g）二维亲水、二维疏水、三维疏水冷凝端在环境温度25℃，相对湿度99%的恒温恒湿箱中的集水质量变化曲线；（h）三维疏水冷凝端在不同过冷度下的集水质量变化曲线

图4 淡水收集性能：（a）室内实验示意图；（b）1倍光强下室内实验的集水量和速率随时间的变化；（c）不同光强下室内集水速率；（d）室外实验装置图；（e）白天室外光照强度、环境温度、相对湿度以及涂层温度（地点：长沙市，时间：2024年7月6日，平均湿度：51.31%，平均风速：1.6 m s-1））；（f）集水性能随时间变化；（g）室外光强和相应集水速率（8:00 ~ 16:00），时间为2024年7月3日至7日，地点：长沙；（h）室外集水速率与其它单级结构对比

引用格式： Chen M*, Wang J, Li S,Chen W, Yan H, Sheldon B W, Li Q*, Shi C*. An All-Passive and Macropatterned Architecture Design for Water Harvesting. Nano Lette rs, 2024.

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04958