SPT|太阳能驱动的界面蒸发器：从传统微结构到智能微结构

研究背景

随着全球经济的快速发展和人口的不断膨胀，对水资源的需求正在稳步增加。然而，由于资源的不可持续开发利用，许多国家和地区都面临着不同程度的水资源短缺问题。研究数据显示，全球近一半的人口每年至少经历一次严重的缺水 。在这种严峻形势下，开发高效的水处理技术已成为一项关键而紧迫的任务。水分蒸发作为获取淡水的基本物理过程，具有稳定性强、可控性高、环境友好、可持续性好等显著优势。这个过程受自然条件波动的影响最小，不需要添加化学品，对生态环境的影响最小，与自然水循环系统高度一致。特别是太阳能驱动的界面蒸发技术，凭借其充分利用可再生能源，可以显著降低能耗，已成为水处理研究领域的核心热点 。

目前，提高太阳能驱动界面蒸发效率的关键在于界面微结构的设计。传统的太阳能蒸发系统主要依靠自然条件或常规物理方法实现水分蒸发，存在效率低、环境适应性差等局限性。随着材料科学和纳米技术的发展，研究人员开发了一系列新颖的结构来提高光吸收和能量转换效率。值得注意的是，最近出现的智能结构可以根据外部环境变化（如磁场、温度等）自动调整其性能，为传统系统的固有问题提供了新的解决方案。

然而，现有的综述主要集中在优化单一类型结构的性能上，缺乏对不同结构类型的系统比较和全面综述。特别是，对于新兴的智能结构，其机制和性能特征需要进一步深入分析。本文对太阳能驱动界面蒸发器的研究进展进行系统综述，重点介绍传统微观结构（多孔结构、阵列结构、Janus 结构和多级结构）和智能结构（磁驱动、温度梯度驱动和化学响应）在光吸收和转换、能源管理、水传输优化和盐结晶抑制方面的增强机制结构）。通过比较不同结构的优缺点，探讨了它们在海水淡化、废水处理、细菌去除和土壤修复方面的潜在应用，为未来的研究方向提供参考。

相关成果以“Solar-driven interfacial evaporators from traditional microstructures to smart microstructures”为题发表在《Separation and Purification Technology》上。（ IF=8.2）

研究数据

图 1.（a） 太阳能蒸汽发电示意图。（b） 太阳能蒸发器，一种由硅藻土和银纳米颗粒组成的高效太阳能蒸汽发生器。

图 3.（a） 多孔结构示意图。（b） 阵列结构示意图。（c） Janus 结构示意图。（d） 层次结构示意图。

图 4.（a） NiCoxSy-PANI@GF 示意图。（b） NiCoxSy-PANI@GF 的扫描电镜图像;（c） NiCoxSy-PANI@GF 的光吸收图。（d） 水凝胶制备过程示意图。（e） 水凝胶不同位置的扫描电子显微镜图像和扫描电子显微镜图像的局部放大倍率。（f） 三层梯度水凝胶集成示意图。

图 5.（a） 气凝胶的制备流程图。（b） 气凝胶的扫描电子显微镜图像。（c） 太阳能蒸汽发生过程中的供水渠道示意图。（d） 核壳结构 C3-CPTF 纳米线阵列的制备过程示意图。（e） 3-CPTF 的扫描电子显微镜图像。（f） 纳米线阵列的太阳能蒸汽产生过程示意图。

图 6.（a） Ag/PPy-PVA-HCPs示意图。（b） HCP-1 的扫描电子显微镜图像;HCP-2 的扫描电子显微镜图像。（c） Ag/PPy-PVA-HCPs示意图。（d） Janus 吸收剂修复示意图。（e） PAN、PMMA 和 PMMA 层的扫描电子显微镜图像。（f） 具有 Janus 结构的太阳能蒸发器示意图。

图 7.（a） 示意图说明了利用仿生树状定向微通道的装置中的连续反重力水输送。（b） 扫描电子显微镜图像显示了仿生树微观结构的横截面。（c） 新鲜和碳化向日葵的部分放大图像及其横截面的照片。（d） 描绘碳化向日葵的海绵组织和微通道的扫描电子显微镜图像。

图 8.（a） 磁驱动运动结构示意图。（b） 温度梯度驱动运动结构示意图。（c） 化学响应结构示意图。

图 9.（a） MJM 的防风性能示意图（左）和 MJM 在磁场中的照片（右）。（b） SHE 的盐析和自清洁示意图。（c） 氨响应示意图（左）和太阳能蒸发器氨响应的颜色变化以及 HCl 处理后的图像。

图 10.（a） 通过表面光热材料增强光吸收的示意图。（b） 通过温控变形增强光吸收的示意图。（c） 通过微结构提高能源利用率的示意图。（d） 受温度变化影响的水输运示意图。（e） 示意图展示了不同孔径对水运移的影响。（f） 突出显示可修复水凝胶对水运影响的示意图。（g） 用于盐提取的仿生树状太阳能蒸发器示意图。（h） 太阳能蒸发器在盐析生长期自清洁过程的示意图。

图 11.（a） SGM 太阳蒸发示意图。（b） 添加 GO 后 TFC 膜的超快速水传输示意图。（c） 形状可编程的界面太阳能蒸发器在照明下实现动态表面膨胀的示意图。（d） 仿生向日葵状太阳能蒸发器和向光行为示意图。（e） 染料化合物吸附机理示意图。（f） 二氧化钛光催化剂的光催化原理。（g） 简单蒸发降解装置的图像。（h） 与 CPH 共培养的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的 SEM 图像。（i） TPA-BTDH 蒸发器的示意图设计。（j） 太阳能维修系统示意图。

https://doi.org/10.1016/j.seppur.2025.133099