Nano-Micro Letters研究背景
在蒸发过程中，传统太阳能界面蒸发结构通常借助自身的毛细力实现连续供水，往往会导致蒸发器骨架上出现较厚的水层。随着水层厚度的增加，水蒸气的溢出阻力和蒸发器的寄生热损失也会增加，蒸发器的蒸发速率随之下降；当水层的厚度减小时，蒸发器将因水传输速率较低而表现出低蒸发速率。因此，调控蒸发器的水传输速率，进而平衡蒸发界面的水-热输运效率，有望大幅度提高蒸发性能。
为实现上述目标，浙江大学成少安教授团队首次报道了一种微纳水膜强化的太阳能界面蒸发结构，并通过调节微纳水膜的厚度，在 1 sun下实现了约2.18 kg m⁻2 h⁻1的高蒸发速率(二维蒸发结构)。同时，提出了太阳能界面蒸发结构的设计理念，即“热-质平衡”。
Micro-Nano Water Film Enabled High-Performance Interfacial Solar Evaporation
Zhen Yu, Yuqing Su, Ruonan Gu, Wei Wu, Yangxi Li, Shaoan Cheng*
Nano-Micro Letters (2023)15: 214
https://doi.org/10.1007/s40820-023-01191-6
本文亮点
1. 受岩石内水存在形式的启发，提出了一种微纳水膜强化的新型太阳能界面蒸发结构。通过调节微纳水膜的厚度，在 1 sun下实现了约2.18 kg m⁻2 h⁻1的高蒸发速率。
2. 基于CFD模拟结果，构建了可强化冷凝的大型太阳能海水淡化装置。该装置的户外产水速率可达15.9 ~ 19.4 kg kW⁻1 h⁻1 m⁻2。
3. 基于户外运行结果，通过人工神经网络，构建了户外产水性能的多目标预测模型。
内容简介
大多数太阳能界面蒸发器在蒸发过程中始终充满水，从而带来不必要的寄生热损失。为解决上述问题，浙江大学成少安教授团队提出了一种微纳水膜强化的新型太阳能界面蒸发结构，并以聚吡咯(PPy)和聚多巴胺(PDA)涂覆的聚二甲基硅氧烷(PDMS)海绵(简称为PPy海绵)为例，研究了该蒸发结构的蒸发性能及蒸发机制。通过调节微纳水膜厚度，基于PPy海绵的二维太阳能界面蒸发器在1 sun下实现了约2.18 kg m⁻2 h⁻1的高蒸发速率。随后，基于CFD模拟结果，搭建了可强化冷凝的大型太阳能海水淡化装置。在40天的户外实验中，该装置表现出15.9 ~ 19.4 kg kW⁻1 h⁻1 m⁻2的高户外产水率。基于户外实验的结果，通过人工神经网络构建了多目标预测模型来评估户外产水性能。据预测，1 m2的户外装置每天最多可生产7.8 kg洁净水，至少可满足3个人的日饮水需求。
图文导读
I 微纳水膜强化的太阳能界面蒸发结构的构建
微纳水膜强化的太阳能界面蒸发结构的设计理念如图1所示。与传统界面蒸发结构相比，微纳水膜强化的界面蒸发结构的有效蒸发面积更大，寄生热损失更低(图1a)。这种结构的设计灵感来自于水在岩石间隙中的存在形式(图1b)。水在岩石间隙中有两种存在形式：1)填充满整个岩石间隙；2)以微纳水膜的形式存在于岩石间隙。岩石间隙中微纳水膜的形成与岩石表面的低表面能相关。COMSOL模拟表明，水在低表面能的亲水毛细管内以微纳液膜的形式上升(图1c)。因此，可基本确定构建具备低表面能的亲水界面是该蒸发结构的设计关键。
图 1. 微纳水膜强化的太阳能界面蒸发结构的设计灵感：(a) 传统界面蒸发结构与微纳水膜强化的界面蒸发结构的示意图；(b) 岩石中水的存在形态示意图；(c) 水在具有不同界面润湿性的毛细管内的传输示意图和模拟结果：(Ⅰ)亲水界面，(Ⅱ)疏水界面，(Ⅲ)具有薄亲水层的疏水界面(具有低表面能的亲水界面)。
II 微纳水膜强化的界面蒸发结构的构建及表征
在疏水基底上沉积薄亲水层，以构建微纳水膜强化的太阳能界面蒸发结构。PDMS海绵被选作疏水基底，并通过原位沉积法，先后沉积亲水的PDA涂层和PPy涂层，最终获得了PPy和PDA涂覆的PDMS海绵(简称为PPy海绵，图2a)。为实现高效的太阳能蒸发，蒸发结构应具备以下特征：1)亲水多孔结构(图2b和图2c)；2)良好的光热转化能力(图2d)。通过原位光学成像技术检测了PPy海绵和其他PPy-PDA涂覆的亲水海绵润湿前后的变化(图2e)。研究结果表明：水在PPy海绵内以微纳水膜的形式存在。
图 2. (a) PPy海绵的制备过程；(b) PDMS海绵、PDA海绵和PPy海绵的照片和水接触角；(c) PPy海绵的SEM图像；(d) PDMS海绵、PDA海绵和PPy海绵的紫外-可见-近红外光谱；(e) PPy海绵和(f) PPy/PDA-PVF海绵的光学成像图。标尺：200 μm。
III 蒸发性能及蒸发机制
通过“定量注水-实时蒸发-原位表征”的耦合分析方法研究了该蒸发结构的蒸发性能及蒸发机制。当注水速率较低(5 μL min⁻1)时，PPy海绵内的微纳水膜逐渐消失(图3a)。此时，PPy海绵因“供水不足”表现出较低的蒸发性能(1.69 kg m⁻2 h⁻1，图3b)。当注水速率提高至12.5 μL min⁻1时，PPy海绵内的微纳水膜厚度基本保持不变(图3a)。此时，PPy海绵表现出稳定的高蒸发速率(2.18 kg m⁻2 h⁻1，图3b)。当注水速率进一步提高至17.5 μL min⁻1时，PPy海绵内的微纳水膜逐渐变厚，最终填充满PPy海绵内的间隙(图3a)。此时，PPy海绵因“供水过量”表现出与传统蒸发结构类似的蒸发性能(1.38 kg m⁻2 h⁻1，图3b)。由此可见，微纳水膜是维持PPy海绵高蒸发性能的关键因素。最后，论文讨论了太阳能界面蒸发结构的设计理念——“热质平衡”(图3c)。
图 3. (a) 在不同注水速率下，PPy海绵的原位光学成像图。标尺：200 μm；(b) 在不同注水速率下，PPy海绵的蒸发速率；(c)太阳能界面蒸发结构的设计理念——“热质平衡”
IV 户外实验
为提高太阳能界面蒸发器的户外产水率，论文构建了一种可强化冷凝的户外装置(图4a)。COMSOL模拟结果表明：在10 min内，该装置内部的湿度降低了80%左右(图4b)。同时，在装置运行期间，冷凝室的温度较低，而蒸发器附近的温度仍然较高(图4c)。随后，根据模拟结果，搭建了户外装置，并进行了为期40天的户外实验。实验过程中的天气参数如图4d所示。在40天户外实验中，该装置表现出15.9 ~ 19.4 kg kW⁻1 h⁻1 m⁻2的高户外产水率(图4e)。根据户外实验结果，通过人工神经网络模型(图4f)，预测了不同地区的户外产水率(图4g)。以天津市为例，该装置的日产水量约为5.56 ~ 7.86 kg m⁻2(图4h)。综上，该装置的大规模使用可大大缓解当下水资源短缺的现状。
图4. (a) 户外装置示意图；(b) 户外装置内的湿度场；(c) 户外装置内的温度场；(d) 户外实验的天气参数；(e) 户外实验的产水率(WPR)和基于日总太阳通量归一化的产水率(NWPR)；(f) 户外产水性能的预测过程；(g) 全球7个缺水地区的户外产水性能预测结果；(h) 新加坡和中国天津的日产水率预测结果。
作者简介
于桢▍主要研究领域
(1)太阳能光热转化；(2)固废的无害化处置与资源化利用。
成少安本文通讯作者
▍主要研究领域
生物质能源和清洁能源开发、环境微生物电化学、废水处理和能量回收技术。
▍Email：shaoancheng@zju.edu.cn
关于我们
Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2022JCR影响因子为 26.6，学科排名Q1区前5%，中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
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