上海交大张垚鑫、上海理工熊婷 Matter Preview 文章：动态水闸促进微纳米水膜的形成-从而实现快速太阳能驱动的蒸发

2024-10-12 来源：高分子科技

太阳能驱动的界面蒸发技术因其卓越的能源效率、低碳足迹、高成本效益和无二次污染等优点被广泛应用于海水淡化、污水处理、燃料和电力生产及其他能源/环境领域。传统蒸发器通常依靠毛细作用实现持续供水，这往往会导致水充满整个多孔结构，从而造成不必要的寄生热损失。为进一步提高蒸发性能，上海交通大学和上海理工大学研究团队联合在期刊Matter上发表题为“Dynamic water gating facilitated the formation of micro-nano water films for rapid solar-driven evaporation”的Preview论文，介绍了微纳水膜强化的太阳能界面蒸发结构。

为降低蒸发界面的寄生热损失，Wang 等人最近报道了一种具有双层结构的太阳能蒸发器 (SDWE)，它具有动态流体流动控制机制，可实现稳定的薄膜供水和高效蒸发（图 1A）。该双层结构由顶部光热涂层和底部智能基底组成。顶部的聚多巴胺涂层可实现高效的光热转换，而底部的热响应孢粉质则充当“智能门”，实现供水速率的智能调控。具体而言，孢粉质的温度在光照前无法达到其最低临界溶解温度 (LCST)，因此它仍然表现出亲水性。此时，SDWE 可以从底部水中垂直泵送大量水到其蒸发表面，从而填充 SDWE 的较大孔隙（图1B）。光照后，孢粉质的温度超过其LCST，孢粉质层随即转变为疏水状态，阻止孔隙内水的进入，从而促进薄水层的持续供应（图1B）。在稳定的光照下，SDWE 表面水膜始终以薄膜的形式存在（图1C），因此在1 sun下实现了3.58 kg m^-2 h^-1的高蒸发速率。SDWE的高蒸发性能可归因于界面低热量损失和低表观蒸发焓的协同作用。从宏观上看，与本体水相比，薄水膜提供了更大的有效蒸发面积、抑制了热量损失并降低了蒸汽传递阻力。从微观上看，薄水层蒸发熵降低，可诱导水分子以团簇形式蒸发，而不是在微通道内单独蒸发。因此，SDWE 显示出较低的等效蒸发焓（~1080 J g^-1）。

图1 光热蒸发结构中的微纳水膜设计

类似地，成等人从天然岩石中水的存在形态中汲取设计灵感，开发出具有低表面能的多孔材料，构建了微纳水膜强化的蒸发结构（图 1D）。通过调节水膜厚度，该结构在 1 sun下实现了约 2.18 kg m^-2 h^-1 的高蒸发率。无独有偶，镍泡沫表面的CuO 微针也被证明能有效诱导微纳水膜的形成。微纳水膜的设计理念暗合中国传统哲学中的阴阳平衡，其中，高传质速率会增加寄生热损失，而弱传质速率会限制蒸发动力学并降低阻盐性能（图 1E）。只有通过精确调节微纳米水膜厚度实现热质平衡，SDWE 才能实现高蒸发性能。除了 SDWE，其他先进的蒸发材料也可以基于此原理进行设计。

原文链接 http://dx.doi.org/10.1016/j.matt.2024.08.004

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（责任编辑：xu）

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