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第一作者：孙尧
通信作家：孙在成，歌坛
通信单位：北京理工大学
论文DOI:
阅览全文
近年来，关于太阳热液蒸发的大部分研究都集中在开发新的、高效的光热材料上。一些研究表明，微/纳米结构装置蒸发速度很高，但在太阳热液蒸发过程中，水系面积对蒸发率的影响很少受到关注。
背景介绍
由于地球上淡水资源仅占水资源总量的2.5%，可供人类支配的淡水资源不足0.36%，并且近年来环境污染和人口增长进一步加剧了淡水资源的短缺。太阳能作为一种清洁无污染的绿色能源，具有热值高、储量丰富等特点，利用太阳能进行海水淡化，是解决淡水资源短缺的一种理想方式。目前该领域的难点在于：如何在一个太阳光强度的照射下实现更高的太阳能水蒸气产生速率以及能量转换效率。目前的研究以开发新型光热材料为主，也有部分研究通过设计光热水蒸发器件的结构来提高水蒸发性能。但大部分结构设计适用的材料范围较窄，且没有较为清晰的理论依据作为支持，因此对设计新型高效的太阳能水蒸发装置启发意义不大。
研究的出发点
本文是通过观察生活中一种常见的水蒸发行为后得到了启发，提出了一种全新的概念——单位表面积水质量（Water mass per unit surface area, WMUA），并以此为理论依据，通过管理单位表面积的水质量、调控与光热材料直接接触的水量，设计了一种具备分级水管理功能的太阳能水蒸发装置，在负载常规光热材料（GO、CuS、PDA等）和一个太阳光强度照射的条件下，即可实现最高1.8 kg m-2 h-1的水蒸气产生速率以及约92%的能量转换效率，能够有效提高普通光热材料应用到太阳能水蒸发中的性能。在对装置进行了等比例放大之后，经过户外日光的照射，可以实现每8h约6 L m-2的净水速率，具有较好的应用潜力。
图文解析
1. 装置的设计与表征
首先我们以提出的新概念“单位表面积水质量”为依据，利用海绵类多孔材料、纤维堆积类材料以及几种常规的光热材料，构建了一种具备分级水量管理功能的光热水蒸发装置。通过对到达光热材料面的水量进行逐级调控之后，即可提高装置整体的水蒸气产生速率。
图1. 设计的太阳能水蒸发装置的机理及示意图。（a）装置的工作原理示意图；（b）装置截面结构的SEM表征结果。
2. 逐级进行单位表面积水量调控
我们对装置中具有不同WMUA值的材料进行逐级筛选与调控，用于验证提出的新概念的可行性。首先对具有较大WMUA的“储水层”材料进行了对比与筛选，结果表明仿麂皮海绵这种材料具备较好的储水及水传输功能，可以作为合适的“储水层”材料。然后对具有较小WMUA的“水限制层”材料进行对比与筛选，结果表明滤纸这种材料具备较好的进一步水量限制功能，可以作为合适的“水限制层”材料。最后做了装置对于光热材料的普适性的研究，结果表明，依据单位表面积水量管理这种思路设计的装置对于常见的光热材料（GO、CuS、PDA等）均具有较好的适用性，在负载这几类光热材料的前提下，均能够实现较高的水蒸气产生速率。
图2. 不同储水层材料的SEM表征结果及纵向水传输性能评价。（a）聚氨酯海绵（b）三聚氰胺泡沫（c）仿麂皮海绵俯视（d）仿麂皮海绵截面及（f）仿麂皮海绵局部放大的SEM结果；（e）三种储水层材料的纵向水传输性能对比。
图3. 三种不同储水层材料的横向水扩散性能对比及不同结构的太阳能水蒸发装置的水蒸发速率和能量转换效率结果。（a）聚氨酯海绵（b）三聚氰胺泡沫（c）仿麂皮海绵的横向水扩散结果；（d、g）聚氨酯海绵（e、h）三聚氰胺泡沫（f、i）仿麂皮海绵经过光照2小时前后的红外测温结果；（j、m）调控不同储水层材料（k、n）调控不同水限制层材料（l、o）调控不同光热材料进行太阳能水蒸发的水蒸气产生速率及能量转换效率结果。
3. 从宏观角度的调控来验证单位表面积水量管理的必要性
在确定了装置每一级结构最优的备选材料之后，我们将其组装成为完整的光热水蒸发器件，并从宏观的角度逐层验证它们对于装置整体水蒸气产生速率性能的影响。通过研究我们发现，装置中缺少任何一级水量管理的结构，都无法达到最高的水蒸气产生速率，当缺少光热材料时，装置表面温度明显降低，因此性能也随之下降；当缺少水限制层材料时，光热材料会与WMUA较大的储水层材料直接接触，导致供给到光热材料层的水量偏多，装置表面温度和水蒸气产生速率都随之下降；当缺少储水层材料时，由于水限制层供给到光热材料处的水量不足，因此水蒸气产生的速率和能量转换效率也不够高。因此，只有具备储水层、水限制层以及光热材料层的完整结构的装置，即组成装置的材料的WMUA呈逐级变化的趋势时，才能达到最高的水蒸气产生速率及能量转换效率。
图4. 对太阳能水蒸发装置进行宏观调控的红外测温结果及对应的水蒸气产生速率和能量转换效率。（a、g）将装置直接放在水面上（b、h）将装置离开水面并用一维水传输通道使之与下方水体连接（c、i）缺少光热材料层的装置（d、j）缺少水限制层材料的装置（e、k）缺少储水层材料的装置（f、l）具有完整结构的装置经过光照2小时前后的红外测温结果；（m、n）对应上述五种结构调控情况的装置水蒸气产生速率及能量转换效率结果。
4. 检验实际应用性能的优劣
我们按照同样的设计思路，将装置进行等比例放大之后制作了用于户外实验的装置。在户外日光的照射下，装置能够达到每8h约6 L m-2 的净水速率，这可以满足两个成年人一天的平均饮水量，证明利用这种设计策略制备的太阳能水蒸发装置具有较好的应用前景。
图5. 户外实验装置及性能测试结果。（a、b）户外放大实验的装置图；（c）户外实验一天中不同时间的净水速率结果；（d）户外循环实验中装置的净水速率结果。
总结与展望
此项工作主要基于水蒸发的界面面积提出了一种新概念“单位表面积水量”，并通过设计了一种太阳能水蒸发装置验证了这项概念的可行性。利用这种设计思路制备的太阳能水蒸发装置对大部分常规光热材料均具有较好的适用性，并能够在一个太阳光强度的照射下实现较高的水蒸气产生速率和能量转换效率。在经过户外实验验证之后，还证明了依据这种思路设计的放大装置具备较好的实际应用前景。因此，这项工作为设计新型高效太阳能水蒸发装置提供了很好的启发和依据。
文献来源
Y. Sun, X. Zong, D. Qu, G. Chen, L. An, X. Wang and Z. Sun, Journal of Materials Chemistry A, 2021, DOI: 10.1039/D1TA00113B.
作者介绍
孙再成，北京工业大学教授，博士生导师。曾获得美国R&D 100奖，入选中科院“百人计划”，吉林省创新创业人才，北京市高层次人才。中科院优秀研究生导师，光学工程学会全国优博导师，MRS Bulletin, MRS Advances客座编辑。先后承担多项国家自然基金面上项目，吉林省和北京市重点项目等项目。多次组织美国材料研究协会年会（MRS Spring Meeting）的分会，在国际会议上做大会报告和分会邀请报告20余次；发表SCI论文130余篇，引用超过9500次，H-index为46，其中ESI高被引论文13篇。获得授权中国专利13项，美国专利2项。研究工作曾多次被“中国科学报”报道。
曲丹，北京工业大学教授，博士生导师。曾获得第四届中国光学工程学科优秀博士论文、中国科学院院长特别奖，入选北京工业大学优秀人才。主持并参加多项国家自然基金、北京市自然科学基金等科研项目。主要研究方向为荧光碳纳米点的光学性质调控及其应用研究。发表SCI论文40余篇，引用超过4500次，H-index 为25, 其中ESI高被引论文11篇。获得授权中国专利2项。