高度抗盐的太阳能界面蒸发：光热材料选择、结构设计和能源管理

综述背景

在世界范围内的各种能源中（如风能、潮汐能、地热能、太阳能等），太阳能具有清洁、量大、易得等特点。因此，太阳能的高效利用对于缓解环境污染和全球能源压力具有重要意义。光热转换技术是利用太阳能最简单的方法之一。对于淡水短缺问题，虽然地球上有丰富的水资源，但是，总水量的97.5%是不可饮用的海水。为此，研究人员试图探索高效的海水淡化技术。受自然蒸发获得淡水的启发，基于光热转换技术的太阳能驱动蒸发系统被认为是有前景的缓解淡水短缺的海水淡化技术。到目前为止，人们已经探索了许多策略来实现高的太阳能驱动蒸发效率，主要包括光热转换材料的选择和结构优化。在这篇综述中，新加坡国立大学Swee Ching Tan团队提出了太阳能吸收器、结构设计和能源管理是高性能太阳能驱动蒸发系统的关键。并且，该团队还 告了四种基于不同光热转换机制、基底结构设计和能量管理方法的太阳能吸收器，以达到高转换效率的目的。

相关成果以“Towards highly salt-rejecting solar interfacial evaporation: Photothermal materials selection, structural designs, and energy management”为题发表在清华大学主办国际学术期刊《Nano Research Energy》上。

综述内容

1 太阳能吸收器

太阳驱动的蒸发过程需要一个太阳吸收器将太阳光转换成热能(这被称为光热转换过程)，然后热能促进淡水生成。到目前为止，已 道的太阳能吸收器的光热转换材料可以分为四种：碳基材料，半导体，金属基质子材料，以及共轭聚合物。

图1. (a) 太阳能吸收器的设计概念和结构示意图，以及太阳能驱动界面蒸汽发生器的结构示意图。(b) 基于“蘑菇”的太阳能蒸汽发生装置示意图。(c) 扩大化的设备制造过程示意图。(d) 利用落叶制备碳材料的两种方案。(e) CTGS/纸制造的方案。

图2. (a) 基于Ni3S2/NF的太阳能驱动蒸发器的示意图。(b) CBS-Ti3C2的合成示意图。(c) 太阳能驱动半导体材料的界面蒸发机制。

图3.（a）用于太阳能驱动蒸发的黑色Ag纳米结构。(b）三维Cu@C/CLS作为太阳能蒸气生成的有效装置。

2 基底材料

在太阳能驱动的蒸发器装置的运行过程中。光热材料经常被装载在基材上，作为支撑物，它需要同时表现出一定的强度和多孔结构。足够的强度可以避免基材在长期使用中被损坏，而多孔结构可以保证充分的阳光吸收和合理的水分管理。

图4. (a) 基于p-PEGDA-PANI的蒸发器的蒸发机制。(b）太阳能蒸发器的结构是基于CC-PPy阵列的。(c) 用于太阳能蒸汽生成、防污和染料吸附的PDA-CA装置。

图5. 生物质基和发泡结构基材。(a) 柔性木膜基材。(b) 基于玉米秸秆的基质。(c) 双层混合生物质泡沫基质。(d) 双层结构的气凝胶是由两种类型的纳米纤维组成。

图6. 具有小厚度的二维基质。(a) 聚四氟乙烯和纤维素膜。(b) 基于电纺技术的Janus结构膜。(c) 用滤纸折叠的折纸结构。(d) 棉布基底。

3 太阳能蒸发的系统设计

除了上面介绍的光热材料和基底之外，太阳能吸收器和基底的结构设计也是提高太阳能驱动蒸发性能的关键。随着太阳能蒸发器的快速发展，为了实现高度的太阳能驱动蒸发性能，在光浓度不变的情况下，蒸发过程不能超越能量极限。目前，为了突破能量极限，追求高蒸发率，以往的研究论文中提出了许多新的概念和解决方案。

图7. (a) 基于GE/PPUS的金字塔形蒸发器，用于太阳能驱动的蒸发。(b) 基于三维折纸的太阳能蒸汽发生器。

4 阻隔盐分的技术和发电

在太阳能驱动的蒸汽发电技术中需要解决的一个关键问题是盐的积累。由于太阳光的强烈反射和蒸发器通道的堵塞，结晶盐将大大影响蒸发器的性能。目前，排盐技术已经取得了很大的进展，各种有效的海水淡化排盐技术已经诞生。

图8. (a) 竖直排列的排盐通道。(b) 控制用于排盐的散装水流量。(c) 球形光热体间歇性滚动用于排盐。

图9. (a)无接触结构确保了完全的排盐。(b)由于Marangoni效应，由于光热体表面的高盐水流速，晶体盐被消除了。(c) 由于Donnan效应，扩散到供水层的盐离子数量减少，耐盐性可以显著提高。(d) 离子泵效应增加了散装水的泵送能力，实现了排盐。(e) 红外光子作为热源减少了盐的影响。

总结

生物基碳材料仍然是低成本材料的重要选择；同时也可以利用一些工业废弃物，如废碳纤维、黑色废染料等。此外，还需要更多地涉及一些便于产业化的技术，如纺织技术和其他可以在常温常压下生产的技术。不可忽视的是，微纳米孔结构的机械强度应不断增强，尤其是在构建具有柔韧性或可压缩性的多孔材料方面。最值得一提的是，蒸发器的长时间脱盐和多能协同效应带来的超高蒸发效率将成为主要研究目标。

原文链接

https://www.sciopen.com/article/10.26599/NRE.2022.9120014