Nano Energy|受叶子启发的太阳能蒸发器，可协同调节润湿性和供水角度，以增强能量质量管理

研究背景

在全球化和工业化的推动下，对化石资源的过度开发和环境污染已经达到了临界水平，特别是对水资源的影响 。清洁淡水的稀缺已成为全球性挑战，对人类社会和生态系统构成重大威胁。目前，全球淡水的很大一部分被农业和工业消耗，由于气候变化和人口增长，这一比例继续上升。在此背景下，开发创新和环保的能源技术已成为缓解淡水危机的迫切必要条件 。

太阳能是一种清洁和可再生的资源，在海水淡化和废水处理领域具有巨大的潜力 。值得注意的是，太阳能驱动的界面蒸发技术因其有效利用太阳能加热空气-水界面并最大限度地减少热损失而受到广泛关注。最近的进展见证了太阳能蒸发器设计的发展，从优化单一材料的光热转换效率 到多维能量和质量传递的协同管理 。然而，实现高效的能源转换和供水仍然是这项技术发展的关键挑战 。

蒸发器的表面润湿性在水的扩散中起着决定性的作用。润湿性的不平衡，无论是过度亲水还是疏水，都会损害热能的有效利用和水蒸发的效率。虽然现有的研究已经探索了各种调节供水速率的方法，例如修改蒸发器的水道设计、调整地表水供应管的数量以及改变侧通道的高度]或倾斜角度，这些方法仍然存在过度依赖外部设备、需要特定材料以及涉及复杂化学反应等问题。与此同时，在热能控制方面也取得了一些进展，包括表面结构的设计、固液界面的调制或集中器的加入。然而，目前的研究状态主要集中在在单个蒸发表面上匹配水或能量，而忽略了整个设备中能量-质量传递的同步调节。因此，迫切需要开发一种简单、经济高效且可扩展的方法来构建高效的蒸发器，以实现供水和传热之间的平衡 。

研究结论

为了应对这一挑战，研究人员引入了一种双管齐下的定制策略，通过协同调节海绵叶的表面润湿性和供水角度来提高太阳能海水淡化装置的能源效率。图 1a 中描述的设计理念围绕着叶子上基于梯度的单向润湿性构建，这改变了内部供水环境并导致明显不同的积水效果。此外，通过协同优化供水角度，可以精确控制每个表面的含水量和蒸发过程中的热匹配要求。这种方法超越了对单一亲水或疏水特性的常规调整，提供了更细致和详细的设计，以捕捉双重因素的交叉影响，如图 1b 所示。该方案涉及的表面特性调制主要包括凝胶化和氟化技术，蒸发器设计从树干及其周围叶子的生长结构中汲取灵感，简化了系统构建，促进了更广泛的应用，如图 1c 所示。该蒸发器经过优化，可实现平衡的水热传递，实现了 2.98 kg m −2h−1的蒸发速率，显著提高能源利用效率。这一成就为太阳能水蒸发技术的新进展铺平了道路，并为设计高效、稳定的太阳能水蒸发系统提供了科学基础，这对全球淡水资源的可持续管理至关重要。

相关成果以“Leaf-inspired solar evaporators with synergistic regulation of wettability and water supply angle for enhanced energy-mass management”为题发表在《Nano Energy》上。（IF=16.8）

研究数据

图 1.（a） 具有不同表面润湿性的海绵叶表现出不同的能量摄入和供水需求。（b） 通过精确调节能量和质量匹配的程度来实现高效蒸发。（c） 通过表面凝胶化和氟化对 SHS 进行改性，以产生具有单侧润湿性差异的 WJS 和 SJS。

图 2.（a） SHS、WJS 和 SJS 的合成过程示意图：顶面润湿性的差异导致积水效应发生变化。（b） SHS 和 SJS 的 FTIR 光谱。（c） SHS、WJS 和 SJS 的紫外-可见-近红外吸收光谱。（d） 模拟阳光下 SHS、WJS 和 SJS 在干燥状态下的温升曲线。插图显示了三种海绵在 0 分钟和 60 分钟光照下的红外图像。

图 3.（a） 左图：SHS、WJS 和 SJS 中从底部到顶部的水运比较;右图：三块海绵的顶层滤纸浸入染料后的润湿情况。（b） SHS、WJS 和 SJS 顶部表面在短时间内输水前后的显微镜图像。（c） 浸泡后 SHS、WJS 和 SJS 中上表面含水量和垂直水分布的模拟图像。

图 4.（a） 调整倾斜角度以改变海绵叶内的水分传输速率和从海绵下边缘滴下的水量。（b） 具有叶形蒸发表面和可调倾角的集成蒸发器示意图。（c） SHS、WJS 和 SJS 蒸发器在不同倾角下的供水速率。（d） 模拟阳光蒸发的实验装置图示。（e） 三种海绵在不同倾角下的蒸发速率和效率。（f） 蒸发前 （0 min） 和蒸发后 （60 min） 不同倾角的 SHS、WJS 和 SJS 蒸发器的红外温度比较。

图 5.（a） 模拟 WJS 蒸发器在不同倾角下的表面温度分布。（b） 模拟 WJS 蒸发器在不同倾角下的地表水分布。（C-E）不同倾角的 SHS、WJS 和 SJS 蒸发器的水-热平衡匹配关系。

图 6.（a） 蒸发装置和照明条件的示意图。插入不同高度容器（容器 1-3）中的分支蒸发器表面接收到的模拟太阳辐照度分别为 0.85、1.0 和 1.15 太阳。（b） SHS、WJS 和 SJS 海绵叶在不同容器中的排列示意图。（c） 在 3.5 wt% 盐溶液中蒸发 1 小时后 Evap-1 到 Evap-6 的质量损失、蒸发速率和效率。（d） 本研究的蒸发性能与先前报道的 Janus 设计的蒸发器以及涉及能量质量管理的蒸发器的比较。（e） 在不同浓度盐溶液中蒸发 1 小时后 Evap-6 的蒸发速率。（f） 户外实验装置的正面和侧面照片。（g） 在室外蒸发测试期间，室外设备的蒸发速率和太阳辐照度从上午 8 点到下午 4 点的变化。（h） 渤海海水中四种金属离子浓度与蒸发收集的冷凝水的比较。

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.110903