文献快讯：Adv. Mater. 动态3D“光热风车”实现连续高效淡化、定点结晶与发电

【成果掠影 & 研究背景】

随着全球淡水资源短缺和能源可持续发展的需求日益紧迫，太阳能界面蒸发作为一种低碳环保的海水淡化技术受到广泛关注。然而，盐分在蒸发器工作区域的结晶会严重降低系统效率和寿命。传统3D静态蒸发器主要依赖水分子自扩散，导致蒸发器周围湿度过高、蒸汽扩散困难，且难以管理盐结晶。

针对这一挑战，南方科技大学等研究团队在《Advanced Materials》上报道了一种创新的动态3D风车式蒸发器。该蒸发器采用了Ti₃C₂Tₓ MXene/Ti₄O₇复合光热材料，通过简单的钩编技术制备了风车结构，并利用逐层自组装法进行功能化修饰。其核心创新在于，通过调整风车叶片的结构和供水点位置，可以控制盐溶液的传输与回流路径，从而调控盐结晶行为，实现盐定点结晶在叶片边缘顶点，与蒸发面空间隔离。在20 wt.%高浓度NaCl溶液中，该系统在420小时连续运行中保持了2.25 kg m⁻² h⁻¹的高蒸发速率和41.2 g m⁻² h⁻¹的盐收集速率。更值得注意的是，该风车蒸发器可与微型发电机结合，将风能转化为电能；户外测试中，单一动态系统可实现高达12 V的峰值电压和12.9 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率。最终，研究团队演示了一个集成“海水淡化-风力发电-农业灌溉”的系统，展现了综合利用太阳能、风能与地能的多功能潜力。

【创新点 & 图文摘要】

创新点：

• 结构设计创新：首次设计并实现了动态3D风车式蒸发器结构，通过叶片数量和尺寸的设计，主动调控流体路径，实现了从被动“防盐”到主动“管盐”的策略转变。

• 盐结晶管理机制创新：通过调整供水点（底部或中心）和叶片结构，精确控制盐溶液的传输与回流，利用重力、浓度梯度与马兰戈尼效应，成功将盐结晶限制在叶片边缘的特定顶点，实现了盐结晶位置的空间可调和与蒸发面的有效隔离。

• 材料与光热性能创新：创新性地构建了MXene/Ti₄O₇复合材料，并通过实验和理论计算验证了其协同增强效应。该复合材料显著提升了光吸收率（湿态达98.82%）和光热转换效率，克服了纯MXene膜高反射率的缺点。

• 持续运行与盐收集创新：系统在高达20 wt.%的盐水中稳定运行超过420小时，并可通过“结晶-脱落”循环自动收集盐分，盐收集速率达41.2 g m⁻² h⁻¹，为解决零液体排放和资源回收提供了新方案。

• 能源协同与集成应用创新：将蒸发器叶片设计与微型电磁发电模块结合，实现了利用同一风能同时驱动旋转（增强蒸发）和发电，峰值发电功率可达330 mW。并成功构建了集“产水-发电-灌溉”于一体的演示系统，验证了实际应用潜力。

• 理论模拟与机理验证：利用COMSOL Multiphysics建立了二维物理模型，模拟了不同结构（如F10圆盘与F5叶片）和不同供水点下的盐分传输与分布，模拟结果与实验观察高度吻合，从机理上支撑了盐结晶定点调控的可行性。

Figure 1: 动态3D风车蒸发器的概念设计及多功能示意图。

Figure 2: MXene/Ti₄O₇复合材料的表征及MT-PP-F的光热性能。

Figure 3: 风车蒸发器的蒸发性能及盐结晶定位特征。

Figure 4: 盐结晶行为的调控机制及长期稳定性能。

Figure 5: “海水淡化-风电-灌溉”集成系统性能。

Figure 6: 室外实验性能及全球风/光资源分析。

【总结 & 原文链接】

综上所述，本研究成功设计并验证了一种多功能动态3D风车蒸发器。它通过精巧的结构与材料设计，实现了太阳能驱动的持续高效海水淡化，并创新地将盐结晶管理从“阻止”变为“定点控制与收集”。该系统在高盐环境下展现出卓越的长期稳定性。同时，它巧妙地利用风能，在增强蒸发性能的同时实现了风力发电，最终集成为一个可同时产出淡水、电能并支持农业灌溉的综合平台。这项工作为应对全球水-能-资源联动的挑战提供了一种新颖、可持续且具有实际应用前景的技术解决方案，推动了多功能太阳能蒸发器的设计与开发。

原文链接: https://doi.org/10.1002/adma.202514033

声明：以上内容仅反映作者个人见解，鉴于作者学识所限，若存有不严谨之处，请后台留言指正！

热忱欢迎各位学术界同仁分享或提交关于光-热-电能源利用、表界面化学的相关资讯、研究成果及文章，携手共促领域的繁荣前行：grdn_connect@163.com (推广合作同号)