四川
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成果掠影 & 研究背景
水和能源是21世纪人类社会可持续发展的核心资源，但全球水-能源矛盾日益突出。传统太阳能蒸馏技术虽能利用光热效应产水，但盐分堵塞问题严重限制了长期运行效率。新加坡国立大学Swee Ching Tan团队题为“Manipulating unidirectional fluid transportation to drive sustainable solar water extraction and brine-drenching induced energy generation”的文章提出了一种创新解决方案：通过设计单向流体运输的流体光热结构，结合盐水浸润诱导发电装置，实现高效清洁水生产与可持续能源同步输出。研究发现，基于金属有机框架（MOF）衍生的介孔碳纳米片（MC-NFAs）构建的流体光热系统，在1倍太阳光强下实现了91%的太阳能-蒸汽转换效率，并完全避免了盐结晶问题，连续运行150分钟后仍保持稳定。同时，利用碳材料不均匀沉积的织物发电装置（WEG），在盐水浸润时可立即产生高达200 mV的电压，适用于汗水、地下水和雨水等多种水源，为可穿戴设备供电提供了新思路。
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研究内容 & 图文数据
1. 设计原理：单向流体运输的盐排斥机制
流体光热结构通过控制盐水单向流动，使盐离子随水流迁移至出口，避免局部盐分堆积。
计算流体力学（CFD）模拟表明，出口宽度与光热材料匹配时，盐分可完全排出。
实验验证：若出口过窄，盐分会堆积在光热材料边缘（图1b）。
关键参数：流体流速与材料尺寸的优化确保长期无盐运行。
图1 单向流体运输驱动盐排斥太阳能水提取示意图及实验结果。
2. 流体光热结构的制备与性能
MOF衍生的介孔碳纳米片（MC-NFAs）具有高光吸收（>97%）、优异亲水性和快速光热响应（2分钟升温至50°C）。
实验装置通过液压差驱动盐水流动，实现高效水蒸发（1.63 kg·m⁻²·h⁻¹）。
能量平衡分析显示，系统热损失仅2.29%，91%能量用于蒸发（图2k）。
图2 MC-NFAs的合成、表征及流体光热装置示意图。
3. 可持续盐水处理与清洁水产
多次循环处理可将盐水浓度从3.5 wt%提升至16 wt%，且产水离子浓度低于饮用水标准（图4d）。
系统可过滤微藻（1–10 μm）等污染物，抗生物污垢性能优异。
扩展性验证：多通道并联装置适用于大规模应用（图4h）。
图3-4 盐水迭代处理、水质检测及抗污实验结果。
4. 盐水浸润诱导发电机制与应用
碳黑（CB）不均匀沉积的织物（WEG）在浸润时形成电势差，基于电双层（EDL）效应发电。
装置可编程性：通过设计CB沉积图案，实现特定电压信号输出（图6a-b）。
应用场景：汗水驱动的可穿戴设备（图6h-j）、雨水发电伞（图6l）等。
图5 WEG的制备与电学特性
图6 可编程发电装置及多场景应用。
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总结 & 原文链接
本文通过创新设计流体光热结构与浸润发电装置的集成系统，同步解决了太阳能蒸馏中的盐堵塞问题和能源可持续供给难题。MC-NFAs光热材料的高效蒸发性能与单向流体运输机制，确保了长期稳定产水；而WEG发电装置的低成本、可编程特性，为多场景能源采集提供了新方案。该研究为水-能源协同管理提供了重要技术路径，有望推动海水淡化、可穿戴电子等领域的实际应用。
原文链接：https://doi.org/10.1039/d0ee01572e
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