中南大学JMCA | 受趋肤效应启发的具有高蒸发与超强耐盐性能的3D太阳能蒸发器

图片摘要

原文信息：Renzhong Deng1, Yunqi Li1,Qing Li* ,Yu Qiu, Haixiang Feng and Yangming Liu.Skin-Effect-Inspired 3D Solar Evaporator for Simultaneously Achieving Highly-Efficient Steam Generation and Ultra-High Salt Resistance,J. Mater. Chem. A,2024,12, 31914,https://doi.org/10.1039/D4TA06352J.

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研究背景

随着全球人口的不断增长和环境污染的加剧，淡水资源短缺已成为人类生存和发展面临的一大重要挑战，从丰富的海水中提取淡水被广泛认为是解决全球淡水的理想途径。近年来，太阳能驱动界面蒸发技术因其成本低、操作简单、无污染而受到广泛关注，并逐渐成为淡化海水、净化废水、生产清洁水以缓解全球淡水危机的一种有潜力和前景的策略。

在过去十年中，许多研究人员通过改善太阳能吸收、增强水输运和优化设计太阳能蒸发器的保温结构来提高太阳能蒸发器的蒸发性能。此外，太阳能蒸发器三维（3D）结构的设计可以利用环境热量来促进蒸汽产生，从而获得远高于二维（2D）太阳能蒸发器的界面蒸发性能。然而，三维蒸发器的离子输送路径更长，离子的扩散和对流更加困难，在长期运行中存在盐沉积的风险。

目前，现有研究已经提出了许多抗盐策略来解决3D太阳能蒸发器表面的盐沉积问题。例如采用人工或机械运行方式去除盐结晶、设计Janus结构在亲疏水界面处阻断盐、利用Donnan效应选择性输运离子以及通过加速水分输运来增强离子的扩散和对流。通过加速水分输运来增强离子的扩散和对流是提高耐盐性最简单可行的方法。然而，在加速水分输送以增强离子扩散和对流的同时会导致对这些蒸发器造成大量的热损失。因此，开发一种结构简单的太阳能蒸发器，打破热局域化和离子输运之间的权衡，同时实现卓越的蒸发性能和超高的耐盐性，仍然是一个非常具有挑战性的问题。

针对上述问题，本文提出以蒸发为导向的“有效、快速、精准”三位一体输水模式，发展了一种可具有趋肤效应的内外非均匀孔隙的3D太阳能蒸发器。该蒸发器可同时实现良好的热局域化与离子输运，从而实现了卓越的蒸发性能与超高耐盐性能。

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文章概述

为了同时实现卓越的蒸发性能和超高耐盐性，受到电流在导线中的趋肤效应的启发，本文通过简单的制作方法，构建了内外非均匀孔隙率的3D太阳能蒸发器，该蒸发器即使在超高盐度（25 wt%）的盐水中也能实现非常高的蒸发速率和稳定的脱盐。与传统的蒸发器相比，受趋肤效应启发的内外非均匀孔隙率的3D太阳能蒸发器（SEISE）具有高孔隙率和极低导热系数的内部体不承担输水的责任，因此大大减少了蒸发器的热损失，有效提高了蒸发性能。此外，蒸发器低孔隙率（对应于高毛细力）的表面层可以准确快速地将水输送到蒸发界面，在蒸发界面处形成较大的离子浓度梯度，从而为离子回流提供了强大的驱动力。因此，可以显著增强离子在蒸发器中的扩散和对流，解决传统太阳能蒸发器中因加速水分输运而导致热损失增加的问题，最终实现卓越的蒸发性能（6.0 kg·m−2·h−1）和超高耐盐性（在25 wt%的盐水中稳定运行48 h）。该蒸发器的提出为设计具有卓越蒸发性能和超高耐盐性的下一代太阳能界面器提供了新的策略和见解。

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图文导读

图
1受趋肤效应启发的具有非均匀孔隙率的3D太阳能蒸发器（SEISE）的原理图.

图 2SEISE的制备与表征测试. (a) SEISE的制备过程示意图. 初始MS (b)、CBs@MS表面孔隙结构(c)和SEISE表面孔隙结构(d)的SEM图像. (e)初始MS（SEISE的内部主体）和SEISE表层的累积孔隙体积. (f)初始MS和SEISE的太阳光谱和吸收光谱. (g)初始MS和SEISE中吸附水的DSC曲线，散装水作为对照样品.

图3SEISE界面蒸发性能测试. (a) 不同高度 SEISE的蒸发速率. (b)传统SE (4 cm)和SEISE (4 cm)的蒸发速率. (c) SEISE在1个太阳光强和黑暗条件下的蒸发速率(4 cm). (d)传统SE和SEISE的传热过程示意图. (e)传统SE和SEISE的湿导热系数. (f)传统SE和SEISE的蒸发面红外图像. (g)传统SE和SEISE的蒸发面温度变化曲线. (h) SEISE的循环可靠性.

图4SEISE耐盐性能测试与分析. (a)传统SE-4 cm和SE-4 cm在25wt%的盐水中1个太阳光强下48 h的耐盐性能. (b)SEISE-4 cm在不同浓度盐水中的质量变化曲线. (c)评价盐离子在传统SE和SEISE中路径的可视化颜色实验. (d)传统SE和SEISE的输水能力比较. (e)传统SE与SEISE可视化盐溶解过程的比较. (f)本研究的SEISE与文献中报道的一些3D SEs在不同盐度盐水中的蒸发性能和耐盐性比较.

图5SEISE可靠性测试. (a)一个简单的蒸汽收集装置，用于评估SEISE的净水能力. (b)脱盐前后不同金属离子（Na+、K+、Ca2+、Mg2+）的浓度和截留情况. MO (c)和MB (d)净化前后的紫外-可见吸收光谱. (e)净化前后废水中重金属离子的比较. (f)净化后的重金属离子浓度. (g)室外太阳能脱盐装置照片. (h)室外太阳能脱盐实验的光强和温度环境条件. (i) 2024年7月4日中国长沙晴天环境条件下，SEISE室外太阳能脱盐装置的淡水产率和质量变化随时间变化曲线.

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结 论

本文设计并制备了一个受趋肤效应启发的内外非均匀孔隙率三维太阳能蒸发器（SEISE），其灵感来自电线中电流的趋肤效应。与传统的太阳能蒸发器相比，新设计的太阳能蒸发器由于其孔隙结构不均匀，可以在功能上进行区分。低孔隙率和高毛细力的表层可以显著加速水分的输送，而高孔隙率和极低导热系数的内层可以有效减少热损失。由于水输运局域化与热局域化的精确匹配，SEISE在1个太阳下的最大蒸发速率可达6.0 kg·m−2·h−1。此外，根据菲克定律，SEISE表层的快速水输运显著增强了离子的扩散和对流，从而大大提高了耐盐性能。SEISE可以在超高盐度（25%）的盐水中稳定工作48小时，表面不会析出盐晶体。本工作为下一代太阳能蒸发器的研制提供了一种简单而高效可行的策略，可同时实现卓越的蒸发性能和超高的耐盐性。

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