优化水输送和热管理平衡的三维光热界面蒸发器

人口增长和气候变化导致淡水资源面临空前压力，利用太阳能作为唯一能源输入的太阳能驱动界面蒸发是一种前瞻性的海水淡化策略。海水蒸发过程中的表面盐结晶将极大影响太阳能吸收和水分输送，进而降低蒸发性能。构建水通路，保证盐度梯度驱动的回流和扩散，可有效改善盐结晶，但过高的水传输效率又可能会增加热量损失，平衡水输送与热管理是三维界面蒸发研究中的关键问题之一。

河南大学刘山虎教授团队受天然大葱结构的启发，构建了一个基于硫化铜（CuS）和泡沫镍（NF）的三维分层卷曲圆柱形光热界面蒸发器，在1 kW·m−2的太阳辐射下实现了6.12 kg·m-2·h−1的蒸发速率。进一步研究表明，蒸发器的分层卷曲圆柱形结构减少了对下层水的热损失，优化了水输送和热管理之间的平衡。由于垂直和水平的水通道的协同作用，其在20 wt.%NaCl溶液中表现出优异的耐盐性和140 h的稳健脱盐性能。该工作为极端条件下的太阳能驱动界面蒸发器设计提供了理论和实验基础。该研究以题为“Scallion‐Inspired Environmental Energy Enhanced Solar Evaporator with Integrated Water Transport and Thermal Management”的论文发表在《Advanced Functional Materials》。

【三维分层卷曲圆柱形光热界面蒸发器CuS-NF】

在自然界中，大葱沿轴向呈明显的盘绕形态，具有丰富的层间间隙，垂直排列的通道促进了水和营养物质的运输。受到启发，作者制备了一种分层卷曲圆柱形光热界面蒸发器。垂直和水平水通道的协同作用促进了盐离子在蒸发器内的快速扩散和回流。三维分层卷曲圆柱结构减少了对下层水的热量损失，优化了热管理和水输送之间的平衡。此外，蒸发器具有良好的光吸收性能，蒸发速率达到6.12 kg·m-2·h-1。在20 wt%的NaCl溶液中连续蒸发140 h后，其表面未观察到盐结晶现象。

图1. CuS-NF的机理和微观结构组成表征

【CuS-NF的海水淡化和抗盐性能】

作者通过结构设计和材料复合优化了水输送与热管理之间的平衡。研究表明，优化后的蒸发器蒸发速率明显提高，这可能是由于其垂直和水平水通道、低投影比、和内部隔热材料有效减少了蒸发器到下层水的热量传递共同导致的。当在1 kW·m-2的太阳辐射下进行海水淡化实验时，CuS-NF的表面温度迅速升高至32.1℃左右，而离蒸发器顶部较远的一侧由于太阳能的减少温度较低。温度梯度导致不同位置的蒸发效率不同，顶面温度高，有利于蒸发，促进水分输送；在底部，较低的温度有助于减少热损失；侧表面温度低于环境温度，驱动蒸发器获取环境能量。

图2. 机理探讨

在20 wt% NaCl溶液中进行了140 h的蒸发实验，发现CuS-NF蒸发器表面无盐结晶，与数值模拟结果一致，这可能是因为水通道和孔隙结构促进了盐离子的扩散和回流。

图3. 长期蒸发性能和耐盐性

【CuS-NF的户外蒸发和农业种植实验】

作者设计了户外蒸发系统进行海水淡化和水收集，证实了CuS-NF的应用潜力。纯化后的水用于小麦种植，结果显示海水灌溉的小麦种子无法发芽，而自来水和淡化水灌溉的小麦种子在2天内发芽，生长速度相当。

图4. 户外蒸发实验和种植实验

【总结】

设计了一种分层卷曲的圆柱形蒸发器，具有以下优点：1）具有增强的太阳能吸收性能，2）垂直和水平水通道促进了水输送及盐离子的扩散和回流，3）3D分层卷曲圆柱形结构减少了对下层水的热损失，优化了水输送和热管理之间的平衡，4）侧面区域扩大了太阳能吸收表面和蒸汽逸出通道，允许捕获环境能量。CuS-NF蒸发器为提高太阳能界面蒸发器脱盐性能、防止盐结晶提供了一种新的方法。

来源：高分子科学前沿