文献前沿| Adv.Mater.：集成日间被动辐射冷却的蒸发-冷凝水收集系统

采用清洁能源进行水净化在解决欠发达地区水资源短缺问题方面起着关键作用，太阳能驱动的界面蒸发（SIE）已经成为一种有效的解决方案，但潜热积累和局部太阳散射造成持续的效率损失。针对这个问题，本文将被动式日间辐射冷却（PDRC）技术集成到太阳能驱动界面蒸发（SIE）中，设计了一种新型蒸发-冷凝（E-C）系统。通过垂直凝结壁上的多孔P（VdF-HFP）膜促进潜热快速释放和液滴脱落，减轻潜热积累和光散射，在较长时间内维持了强热对流过程，解决了传统系统对流强度随时间明显减弱的问题。该系统拥有73.3%的汽滴转化效率，并能够保持约2.1 kg ·m−2 h−1的高蒸速率12h以上，为开发连续高效的蒸发冷凝集水系统提供了新的视角。相关工作以Integrating Passive Daytime Radiative Cooling into The Evaporation-Condensation System Enhances Thermal Convection for Sustainable Evaporation and Condensation in Closed Boundary为题发表在Advanced Materials期刊。

为了解决传统界面蒸发（SIE）系统潜热积累和液滴成核散射太阳光的问题，本文提出构建PDRC垂直冷却壁面的策略（图1），实现高效的水收集和潜热管理。蒸发器选择由TA-Fe涂层附着的PU泡沫，能够实现约90%的太阳能吸收效率，通过毛细作用驱动水的高效运输和持续的蒸发（图2）。受圣甲虫外骨骼的启发，采用相反转和模板刻蚀方法构建了疏水的P（VdF-HFP）膜作为PDRC层，在整个太阳光谱上实现了≈90%的高太阳反射率，大气窗口范围内（8 ~ 13 μm）表现出≈90%的红外发射率（图3）。基于以上部件，设计了一个垂直的双面优化系统，实验证明PDRC冷凝壁促进太阳直接照射并且提高了液滴转换率（图4）。为了测试垂直冷凝系统在封闭边界中提高蒸发冷凝的性能，对有/无边界、有/无PDRC的系统进行了对比实验，结果证明带PDRC的有边界系统表现出优越的光热转换效率（78.3%）和冷凝效率（73.3%）（图5）。COMSOL模拟证实PDRC壁面的引入增强了热对流，提高了传质效率（图6）。户外实验证明，冷凝水水质符合标准（图7）。

图1.基于SIE和PDRC的集水概策略。a)开放边界和b)封闭边界蒸发-冷凝系统的潜热释放和太阳辐射；c)集成PDRC的封闭边界E-C系统的淡水收集策略；d) SIE系统的理论太阳吸收率；e) PDRC系统的理论太阳反射率/发射率。SIE：太阳能驱动界面蒸发；PDRC：被动日间辐射冷却。

图2.TFPU蒸发器的性能研究。a) TFPU蒸发器的构成：TA-Fe涂层和PU泡沫支撑层；b) PU支撑层和TFPU光热层的太阳能效率；c)蒸发器传热过程的模拟；d) TFPU蒸发器的亲水性；e) PU和TFPU蒸发器紫外-可见-近红外光谱图；f) TFPU蒸发器暴露1 h后的界面温度；g)暗光条件下TFPU蒸发器的蒸发速率及相应的等效焓。h)计算等效焓的纯水和TFPU蒸发器的DSC曲线。i)PU和TFPU中自由水（FW）、中间水（IW）、结合水（BW）的拉曼光谱，用于评价两结构的蒸发相变难易程度。

图3.P（VdF-HFP）仿生膜的制备与表征。a)圣甲虫的照片；b) P（VdF-HFP）膜的制备工艺；P（VdF-HFP）膜的表面和纵向结构的SEM图像；e) P（VdF-HFP）膜的AFM图像；f) P（VdF-HFP）膜的太阳反射率/发射率；g)室外条件下P（VdF-HFP）膜的光热图像；h) P（VdF-HFP）膜的疏水性和防污性能。

图4.垂直冷凝系统的性能研究。a)垂直双面系统设计；b)液滴在不同凝结模式间的滑动行为（速度降低50倍）；c) E-C系统的光散射和d)聚焦过程；e)无罩（开边界）、玻璃罩、PDRC罩设置的E-C系统蒸发器表面太阳辐射强度；f)实验测定冷凝盖板的透过率和发射率；g)裸玻璃表面和PDRC表面的散热；h)不同太阳辐射强度下蒸汽和冷凝壁温度。

图5.集成PDRC封闭边界系统的性能对比研究。a)室内氙灯实验冷却源设计模型；b)不同边界条件下E-C体系的质量变化和c)蒸发速率；d)有无PDRC组件的CB系统太阳能效率；e)在不同太阳辐射下，有无PDRC组件的CB系统的蒸发速率；f)蒸发速率与已报道的E-C系统的比较。g)有或无PDRC组件的CB系统的潜在产水量和实际产水量以及h)相应的收集率；i)有无PDRC组件的CB系统汽滴转换效率；OB：开放边界；CB：封闭边界。太阳辐射：1kW·m−2。

图6.有/无PDRC膜的CB系统的COMSOL仿真模拟。a) CB（不带PDRC）和b) CB（带PDRC）系统的光热模型；c) CB（无PDRC）系统的温度和流体流量变化；d) CB（无PDRC）系统的热对流强度；e) CB（带PDRC）系统的温度和流体流量变化；f) CB（带PDRC）系统的热对流强度。CB：封闭边界。

图7.户外水处理实验。a)室外环境参数，b)蒸发系统的蒸发速率和出水量；c）蒸发器系统净化水与WHO标准对比；d)甲基橙污染水（初始浓度为0.02 g L−1）处理前后的吸收光谱。

小结：本文开发并验证了一种集成日间辐射冷却技术的太阳能驱动界面蒸发系统。解决了潜热积累和光散射在封闭边界中对持续蒸发和冷凝的问题。采用仿生设计的被动日间辐射冷却膜，使蒸发冷凝系统在12 h以上的时间内保持2.1 kg m−2 h−1的连续蒸发速率和73.3%的冷凝效率，而传统的蒸发-冷凝系统只能连续运行6h，蒸发速率0.78 kg m−2 h−1，冷凝效率56.8%。为太阳能驱动蒸发装置的实际应用和大规模部署提供了新思路。

论文信息：Guo, Jun, et al. "Integrating Passive Daytime Radiative Cooling into The Evaporation‐Condensation System Enhances Thermal Convection for Sustainable Evaporation and Condensation in Closed Boundary." Advanced Functional Materials (2025): e17644.
https://doi.org/10.1002/adfm.202517644

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