EES | 文献前沿 | 用于水、能源和矿物收集的界面蒸发中的梯度工程

【研究背景】

持续的人口增长、不断变化的气候和环境以及工业技术的升级都强调了能源系统转型的重要性。作为可持续能源供应链的重要组成部分，太阳能驱动界面蒸发(SDIE)作为下一代能源和资源联产技术具有巨大的潜力。在无尽太阳能的驱动下，这项技术在过去十年里已经在水、绿色电力和珍贵矿物的联合生产中显示出巨大的可行性。尽管有一些里程碑式的突破，基于SDIE的水-能源-矿物联合生产(SWEM)系统的性能仍未达到实际生产的要求。因此，迫切需要探索其中水及副产品生产的运行模式和工作机理，提高能源和物质输出效率。

通过利用太阳能诱导水蒸发，SDIE系统产生离子浓度、盐度和温度梯度，从而实现水、绿色电力和有价值矿物的共同生产。为此，大连理工大学唐大伟教授团队提出了梯度工程策略来指导SWEMs的设计和优化。在这篇视角文章中，研究团队首先概述了典型的基于SDIE的水-能源-矿物联合生产(SWEM)系统。接下来，基于材料设计和系统优化，提出了通过调节能量和物质传递过程来进行构建，增强，以及利用和维持梯度的合理策略，目的是增强SWEM的能量和资源输出。同时，还探索了使用梯度工程整合多个物理场的混合方法，以实现梯度协同增强，同时减轻梯度冲突。最后，研究团队确定了当前的挑战，并概述了下一代SWEMs的未来发展方向，旨在增强可持续能源供应链的可持续性和弹性。

相关内容以“Gradient engineering in interfacial evaporation for water, energy, and mineral harvesting”为题发表在《Energy & Environmental Science》（中科院一区，IF=32.4）上。大连理工大学能源与动力学院李林教授和博士生孙席胜为文章的共同第一作者。

【图文赏析】

图1 水-能源-矿物联合生产系统的工作原理和机制。(a) SDIE系统利用太阳能和流体流动产生各种梯度场，包括盐度梯度、温度梯度和离子浓度梯度。(b)将这些梯度转化为能源和矿物资源产出，涉及梯度的构建、利用、增强和耦合过程。(c)利用梯度工程设计的工业SWEM概念示意图，能够同时收集清洁水、生产绿色电力和开采矿物。

图2 界面蒸发驱动的渗透能收集的梯度强化和利用。(a)一个改进的IEOEH系统由一个含有不同盐度溶液的双区域蓄水池组成。(b)促进渗透能转换的策略包括有效利用逆温度和压力梯度。(c)高性能纳米流体通道的设计灵感来自动物的电器官，能够实现高离子通量和选择性。(d)COF膜的光热转换性能和光电效应可以进一步促进有效的跨膜离子传输。(e)合适的IEOEH选址应考虑高温、高太阳通量、丰富的海水和大型工厂的分布。6月和12月全球温度和太阳通量分布示意图，显示了从1990年到2020年三十年间的年平均温度和太阳通量。理想的IEOEH实施区域如图所示。

图3 用于TEG集成的界面蒸发驱动热电发电。(a)热电发电通过温差实现。 (b)TEG两侧的TD是与输出电压正相关的重要因素。(c)解耦SA-TEG系统扩大了温度梯度，同时确保了稳定的水电输出。(d)先进超黑涂层及其应用。(e)解耦RC-TEG系统，用于连续夜间运行。(f)利用人工神经网络预测蒸发器的AWH性能。(g)智能光学材料在不同环境条件下光学性能的变化。(h)利用智能材料和多功能蒸发器整合SA-TEG和RC-TEG系统，以创建能够连续运行的IETEG系统。

图4 界面蒸发驱动的水-矿物联合生产。(a)锂和铀的全球分布。一些先进的锂和铀矿开采和下游产品开发公司的示意图。(b)锂和(c)铀的已探明地质储量，以及锂的资源密度和铀的供需情况。(d)物理梯度表面和长距离水传输机制的协同效应，以实现高效IEDLE。(e)铀的高选择性和与水分子的弱氢键相互作用降低了蒸发焓，从而能够有效捕获和富集铀离子。(f)水-矿物联合生产准则。对于IEDLE和IEDUE，增强的蒸发过程和STEN加速了离子迁移，实现了高效和高选择性的矿物富集。

图 5 下一代SWEM设计的前景和未来应用的蓝图。(a)与简单的蒸发器相比，SWEM的优势在于水-能源和水资源的共同生产。(b) SWEM的研究概况和梯度工程策略，以提高能量和质量梯度。(c) SWEM的典型应用场景和耦合增强。(d) 可与SWEM集成的其他可能的先进技术，以进一步提高其可用性并加速能源转型。

展望和未来方向：

SWEMs在可持续能源供应链中的重要性显而易见。持续的太阳能输入诱发梯度和异质区域，为能源和资源输出创造条。然而，大规模的SWEMs尚未出现，许多挑战仍然需要梯度工程来指导。在改进的SWEMs中快速蒸发有利于增加离子浓度、盐度和温度梯度，从而提高系统性能。换句话说，扩大系统中的梯度场对加速能量和资源输出至关重要，这由基本的水蒸发速率决定。

（1） 尽管开发了高性能的蒸发器，低效的冷凝仍然是一个主要障碍。需要认识到，高的水蒸发率并不等同于实际的产水速率。连续蒸发会导致冷凝室内湿度增加以及水滴造成的光学损失，从而导致后续蒸发速度变慢，并阻碍发电和矿物提取。因此，蒸发器和蒸馏器的级联设计至关重要。

（2） 通过梯度工程调节各种系统中的能量和质量传输，以增强不同梯度场(光、电和磁场)的耦合，可以增加能量输出和效率。一个有前途的SWEM需要实现水、能源和矿物生产的完全耦合，以提高其能源效率和产品产量。关键在于系统内多个梯度场之间的协同作用。新的刺激研究方向还包括级联系统中的多级大梯度场分布。

（3） 梯度工程指南有望促进更多SWEMs的开发。然而，大规模系统的应用仍然具有高度的挑战性和不确定性。在实际应用中，大尺寸功能模块或系统的组装比在实验室环境中更复杂。能源效率的突破需要更深入地了解大尺寸功能材料的结构-活性关系，甚至探索新的组装策略，以扩展梯度形成和增强的空间。此外，天气和环境阻力也是潜在的因素。阴天或雨天的弱光和低温可能阻碍系统-环境能量交换和梯度形成。热管、相变材料和太阳能集中器的利用值得考虑。

(4) 可与SDIE结合的其他能源和技术包括水库光伏系统、废热回收技术和海上农场/海上风力发。SWEMs的开发也可能包含清洁燃料和其他数字创新解决方案。对于多功能SWEMs，需要仔细评估多种技术之间的利弊。功能材料之间的耦合对SWEMs的影响需要通过物理和统计模型进行科学评估。为了实现方便可靠的大型SWEM设计，材料科学、热物理工程和机械工程之间的多学科相互作用和交流是必不可少的。

SWEM为提升可持续能源供应链提供了独特的视角。从SDIE产生的物理和化学梯度中获取能源和矿物，为加速实现低碳经济和清洁能源转型带来了新的希望。展望未来，研究人员应专注于维持和扩大SWEM的各种梯度，以实现高能源和资源产出。此外，解决可扩展材料和系统准备、成本效益、区域环境和地质经济学之间的权衡是至关重要的。

【文献来源】

DOI：

https://doi.org/10.1039/D4EE05239K