四川
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成果简介
近日，成都理工大学李小可&浙江海洋大学周英棠教授合作，在材料顶级期刊《Advanced Functional Materials》(IF= 18.5)发表了题为“Less is More: Reducing Evaporation Dead Zones to Tune Thermal Convection in Donut-Structure Evaporators for High-Efficiency Interfacial Solar Steam Generation ”的研究论文。在这项研究中，研究人员首先通过COMSOL模拟探究了合理的结构设计对于界面热分布和热对流的影响。然后通过3D打印模具，制备了一种甜甜圈结构的水凝胶蒸发器，进一步验证界面热对流在增强界面蒸发性能方面的关键作用。研究发现，移除蒸发器中心的“蒸发死区”后可优化界面热分布和空气对流，从而显著提升蒸发性能。模拟和实验结果表明，优化后的蒸发器（PTMC-3）蒸发速率达到3.47 kg·m⁻²·h⁻¹，比传统设计高出66%，同时材料使用量减少12.7%。通过在更少材料使用的同时达到较高的蒸发率，这种方法为有效的太阳能脱盐提供了新的视角。
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研究背景
随着全球水资源短缺问题的加剧，开发高效、可持续的水处理技术成为了亟待解决的问题。传统海水淡化技术因高能耗和高成本面临挑战。近年来，界面太阳能蒸汽生成（ISSG）技术凭借其高效能量转换和环境友好性成为研究热点。迄今为止，已经开发了各种光热材料来增强蒸发性能，并且基于这些材料的不同特征，学者还设计了具有不同结构的蒸发器。例如仿生结构，几何拓扑结构，Janus结构等。这些基本研究揭示了设计高质量ISSG蒸发器的原理：1）有效的光热转化效率，2）足够及时的供水，3）有限的热传递或最小化的热量损失，以及4）较低的蒸发焓。但是，这些策略的实施似乎已经达到了瓶颈，它们的优化或组合已无法进一步提高蒸发率或效率。实际上，提高蒸发率的最直接方法是通过在材料表面上方加强热对流，这解释了为什么吹风机可以快速干燥湿的头发或衣服。在我们先前的研究中，我们通过材料和结构设计增强了界面光热催化系统中的表面热对流，从而提高了蒸发速率和催化效率。然而，通过大规模合理结构设计来增强界面蒸发率的热对流的关键作用尚未被重新评估，其背后的机制仍然不清楚。
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图文导读
图1：不同内外径比蒸发器的温度、对流和湿度模拟
图2：甜甜圈结构水凝胶蒸发器的制备与表征
图3：蒸发性能测试
图4：抗盐性能测试
图5：户外实验
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作者简介
李小可，成都理工大学副教授，硕士生导师，西安交通大学博士后，主要从事太阳能光热转换与太阳能热利用技术相关领域的研究，截止目前共发表SCI论文及中文核心期刊论文70余篇，总他引次数超过2000次，H指数为15，并有多篇论文入选ESI热点论文和高被引论文，连续三年入选全球前2%顶尖科学家(2022，2023，2024)。邮箱：xiaokeli319@126.com
周英棠，浙江海洋大学教授/博士生导师。研究方向为高通量多元检测技术，光热材料在肿瘤治疗，海水淡化及水处理的研究。近三年以通讯作者在Prog Mater Sci., Nat.Commun., Adv. Mater., Angew Chem, Adv. Energy Mater., Coordin. Chem. Rev., Adv.Functional Mater., Nano Energy, ACS Nano, Applied Cata. B. Env.等高水平期刊发表论文100余篇。中国自然资源部海洋环境试点城市项目委员会成员，中国医疗器械学会浙江分会青委会副秘书长。邮箱：zhouyingtang@zjou.edu.cn
李金池，成都理工大学材料与化学化工学院2023级硕士研究生。邮箱：lijinchi2002@163.com
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https://doi.org/10.1002/adfm.202504502
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