Advanced Science|合理设计功能太阳能蒸发器和蒸汽冷凝生产高性能清洁水

研究背景

水资源短缺是影响人类生存和全球经济发展的重大问题。太阳能驱动的界面水蒸发（SDIE）作为海水淡化、废水净化和水电联产的可持续技术引起了广泛关注，其碳足迹最小，有利于获得清洁水。近十年来，通过对功能性光热材料和蒸发器的合理设计，太阳能蒸发性能有了很大的提高。虽然许多具有宽带光吸收的材料，如石墨烯基材料和MXene，可以最大限度地提高太阳能到热量的转换效率，但令人难以置信的是，它们的蒸发率不能达到预期的那么高。这是因为只有一部分太阳能转化的热量贡献于水在液-气界面处发生的从液体到蒸汽的相变。为了触发蒸发，需要最小的能量来允许水分子从本体水的表面逃逸到空气中。如果加热不能达到这个阈值，热能很容易被液态水和环境消耗，而没有有效的水蒸发。因此，为了提高太阳能转换热的利用效率，用于水蒸发，光热材料的结构设计应将热量捕获并积聚在材料内部，而不是在光热转换过程中散发到环境中。

典型的2D光热材料（例如，石墨烯，MXene）通常面临红外范围内的高发射率的问题，这通常导致热辐射损失，从而降低整体光热效率。为了抑制它们的红外发射，应该通过引入锚定在其表面上的0D纳米颗粒/簇来有效地阻挡电子的带间跃迁。生态友好型碳量子点（CD）作为一种典型的0D碳纳米材料，具有成本低、化学稳定性好、光吸收和光转换可调等优点。此外，CD可以通过其表面功能团与多种纳米材料联合收割机结合。因此，合理地构建复杂的结构（例如，2D-0D-2D）使用0D CD和2D光热材料将大大提高光吸收、光热转换、热限制和利用，有利于上级太阳能水蒸发。此外，与许多报道的光热材料类似，具有丰富亲水基团的CD也具有通过调节水状态来降低水蒸发焓的能力，从而进一步提高太阳能蒸发率。

相关成果以“High-Performing Clean Water Production by Rational Design ofFunctional Solar Evaporator and Vapor Condensation”为题发表在《Advanced Science》上。（IF=14.3）

研究数据

图1.材料制备和表征。a）使用MXene、CD和rGO制备GCM的示意图; b-e）不同放大倍数的GCM的SEM图像和相应的EDS图; f）插图中所示的元素线扫描轮廓; g）GCM的TEM图像; h）GCM中典型碳纳米颗粒的HRTEM图像; i）H-GCM @ MS的SEM图像。

图2.光学和光热转换性能。a）纯水、H@MS和H-GCM@MS的DSC曲线; B）H-MS、H-rGO@MS和H-GCM@MS的UV-vis-NIR吸收光谱; c）模拟不同材料结构的热约束效应; d）在一次太阳照射下H-MS、H-rGO@MS和H-GCM@MS的表面温度随时间的变化; e）在一次太阳照射下不同形状的蒸发器中水的质量随时间的变化。

图3.冷凝水收集装置。a、B）常规集水装置和倒置式水蒸气冷凝装置在水蒸发过程中的照片; c）倒置式水蒸气冷凝装置的结构和工作原理示意图; d）ITO玻璃和普通玻璃顶盖在光照下的表面温度曲线; e）冷凝器和顶盖类型对集水率的影响; f）Al片的表面涂层对水收集速率的影响。

图4.理论模拟分析。a和b）顶盖初始温度为25 °C和55 °C时集水器内部的温度分布; c和d）顶盖初始温度为25 ° C和55 °C时集水器内部的热流速度分布; e和f）顶盖初始温度为25 ° C和55 °C时集水器内部的蒸汽压分布; g和h）顶盖在初始温度为25 ℃和55 ℃时集水器内部的蒸汽密度分布。

图5.凝结水收集装置的性能评价。a）收集装置的照片; B）晴天08：00 - 18：00时记录的室外温度和相对湿度; c）H-GCM @MS随时间的太阳辐射和相应的水分蒸发性能; d）收集装置的水分收集速率和效率; e）连续5天测量的水分收集速率; f）H-GCM @MS去除有机染料RhB和MB的能力; g）用万用表在电极间距恒定的情况下测定收集的水的纯度; h）将我们的收集装置的性能与报告的结果进行比较。

研究结论

工作通过合理设计光热材料和蒸发器的结构以及倒置的蒸发冷凝装置实现了高的太阳能蒸发和水收集率。通过组装rGO、CD和MXene形成2D-0 D-2D结构的光热材料，在太阳光照射下实现了更高的内部温度，这提高了从光热材料到相邻液态水的热传递效率，从而实现水的快速蒸发。光热蒸发器被修改为具有用于向下蒸汽扩散的垂直通道，以与倒置结构的蒸汽冷凝装置耦合，用于在底部处有效地冷凝蒸汽。此外，顶部透明盖专门设计有相对较高的表面温度，以推动蒸汽向下迁移，避免其表面形成水滴。蒸发器的悬浮结构确保了所有的表面都有助于水分蒸发。底部冷凝表面直接与本体水接触用于冷却，并且用疏水PDMS改性以促进滴状冷凝。总的来说，这些优势使得单级太阳能净水器的集水率达到创纪录的2.31 kgm−2 h−1。室外测试证实了该设备在海水淡化和废水净化等实际应用中的优异。

DOI: 10.1002/advs.202505008

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