南京大学朱嘉教授最新Nature子刊 | 光热界面蒸发用于食品、能源和水资源

通讯作者：朱嘉教授

通讯单位：南京大学

htthttps://doi.org/10.1038/s44359-024-00009-x

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太阳能驱动的界面蒸发技术利用太阳能加热驱动水蒸发的材料。这些技术用途广泛，不需电力，这使得它们在食品、能源和水资源方面具有潜在的应用前景。在本综述中，我们评估了太阳能驱动的界面蒸发技术在食品、能源和清洁水生产、废水处理和资源回收中的潜力。界面蒸发技术可以利用阳光作为能源生产高达5.3升米-2小时-1的饮用水。为沿海地区的粮食生产而设计的系统对水进行脱盐，以灌溉作物或清洗受污染的土壤。正在开发通过界面蒸发同时生产清洁能源和水的技术，在单独的系统中，电力已达到204 W m–2，水已达到2.5 l m–2 h–1。其他太阳能蒸发方法或方法组合可能会利用整个太阳光谱来产生多种产品（如水、食物、电力、供暖或制冷和/或燃料）。未来，太阳能蒸发技术可以在缺乏可靠获取这些必需品的低资源或农村环境中帮助提供食物、能源和水，但这些系统必须首先经过严格的、扩大的现场测试，以了解其性能、稳定性和竞争力。

文章亮点

• 蒸发-冷凝净化器（一种常见的太阳能界面蒸发净化器设计）使用太阳能以0.4-5.3 l m–2 h–1的速度产生淡水，但受到水的蒸发焓（2400 kJ kg–1）的限制。太阳能蒸汽驱动的膜脱盐将盐水分离能量降低到5.76 kJ kg–1，在12个太阳光照下以高达81 l m–2 h–1的速度生产淡水。

• 通过实施各种防污措施，工程太阳能蒸发器表现出很强的抗盐性、生物污损性和有机污染性，在实验室中具有长达一个月的稳定性。下一代系统应在几个月内进行现场扩展和监测，以评估现实世界的可行性。

• 太阳能蒸发技术可以为灌溉和土壤修复提供高质量的淡水，帮助沿海地区的农业。

• 通过热电、热电、盐度梯度和水力发电，可以从水蒸发中获取能量，产生1-10W m–2。太阳能光伏-蒸发混合系统更适合大规模应用，产生约100-200W m–2中的电力。

• 蒸发器可以从复杂的水基质中提取稀释的关键资源。通过界面蒸发共生成多种资源可以提高这些过程的能源效率，但需要进一步的研究和开发。

• 小型系统在实验室规模上经过了很好的测试，适合个人或家庭使用，但大型系统对于工业应用至关重要。太阳能蒸发技术的成功商业化将需要扩大规模、降低成本并达到监管标准。

图文解析

图1. 来自界面太阳能蒸发技术的食物、能源和水。

图2. 通过太阳能驱动的界面蒸发生产清洁水。

图3. 太阳能蒸汽发电用于废水处理。

图4. 通过太阳能驱动的界面蒸发进行资源开采。

图5. 通过太阳能驱动的界面蒸发进行食品生产。

图6：通过太阳能驱动的界面蒸发实现电-水联产。

总结与展望

太阳能驱动的界面蒸发技术利用太阳能处理或淡化水、提取资源、帮助粮食生产和/或发电。它们可以离网运行，使其有可能适合解决基础设施有限的农村地区的少数需求。材料、设备和系统的进步提高了系统的效率、生产率和稳定性。然而，在大多数情况下，单独生产的资源很少，降低了能源和空间效率，同时增加了成本。需要优先考虑在统一系统内同时生产少量资源的热电联产策略，以最大限度地提高能源效率并带来集体利益，如降低成本、提高空间效率、提高可用性和稳定性。

由于不同的太阳能技术依赖于太阳光谱的不同部分，因此高效的太阳能管理是最大限度地利用能源和设计用于热电联产的界面太阳能蒸发系统的关键。太阳辐射的范围约为200至2400纳米，其总能量的47%在可见光（380-780纳米），51%在红外（780-2500纳米），其余2%在光谱的紫外部分（框1）。界面太阳能蒸发几乎可以利用整个太阳光谱，但光伏主要在可见光（380-780 nm）和近红外（780-1100 nm）范围内将阳光转化为电能。设计独立利用频谱不同部分、协同工作的热电联产系统，将使几乎整个频谱的使用成为可能。

串联转导对于提高整体输出也很重要，因为它捕获了能量中间体。例如，通常作为废物丢弃的热蒸汽的动能和内能可以通过回收冷凝过程中释放的热量来回收。将光热蒸发器与辐射冷却配对以产生热梯度可以通过热电系统发电。

根据这些原则，该文提出了具有高能效和高产量的FEW热电联产策略，包括合成气-水热电联产、热水热电联产和带有冷却、加热、水或生物炭的电水热电联产。开发这些系统需要整合先进材料，优化传热传质，精确控制能量流动，同步各种技术。最终，在现实世界条件下监测这些系统的长期生产力和稳定性至关重要。此外，该文强烈建议在实施之前进行全面的生命周期评估，以评估环境影响，从而指导应用和更有效、更可持续的使用。最后，硬件设计和大规模生产的进步对于降低成本和使这些技术广泛普及至关重要，确保全球获得很少的解决方案。

文献信息

Song, Y., Fang, S., Xu, N. et al. Solar-driven interfacial evaporation technologies for food, energy and water. Nat. Rev. Clean Technol.1, 55–74 (2025).

https://doi.org/10.1038/s44359-024-00009-x

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