01
研究背景
全球最大的60个经济体中有一半正在或即将面临严重的水资源短缺风险，发展先进的水处理技术是解决水资源危机的重要战略。太阳能驱动的界面蒸发系统因能耗低，无需大型集中式基础设施，且可从河流、地下水、咸水和空气等多种来源中生产清洁水，已成为缓解水资源短缺的一种可持续的节能解决方案。成本控制是界面蒸发系统在未来规模化应用的前提，而提高蒸发速率则是对其提出的最本质要求。为了提高蒸发速率，研究人员一方面研发了大量的高效光吸收剂，并设计了各种特殊结构以提高光热转化效率；另一方面通过材料复合和结构设计等手段降低能量耗散。然而，仅考虑太阳能输入时，即使假设能量转换效率为100%，由于水蒸发需要潜热，蒸发速率依然面临理论上的限制。随着材料选择和结构设计的新颖性达到饱和，研究人员越来越关注水的蒸发焓对蒸发速率的影响。因此，深入探索界面蒸发系统中水蒸发焓的调变方法与原理对推动太阳能驱动的界面蒸发具有重要意义。
02
文章概述
近日，王双飞院士团队对降低界面蒸发系统的蒸发焓的相关研究进展进行了综述。简要概述了界面蒸发系统中净热输入的影响因素，在此注意到了环境能量的影响；系统阐述了水蒸发焓的调节原理、表征方式和分析方法；在此基础上，综述了蒸发器中水合状态调节和孔结构调控的优化策略；最后，讨论了此领域当前面临的挑战与机遇。该成果以题为“Minimizing enthalpy of evaporation in solar steam generation: An emerging strategy beyond theoretical evaporation limitation”发表在国际学术期刊《Materials Today》上。广西大学青年教师孙佳明为论文第一作者，瑞士联邦材料科学与技术研究所 (EMPA) Shanyu Zhao高级研究员、东北林业大学刘守新教授和广西大学聂双喜教授为论文通讯作者，广西大学为第一通讯单位，东北林业大学李伟教授与广西大学硕士研究生王相松、孔维卿共同参与研究。
03
图文导读
当能量效率一定时，净热输入和水蒸发焓是影响蒸发速率的两个关键因素(图1)。其中，净热输入受太阳能吸收与转化、热量损失和环境能量补充的影响较大。因此，蒸发速率的优化策略包括:1) 增强对太阳辐射的吸收与转化，2) 减少热量损失，3) 环境能源的利用和4) 降低水蒸发焓。到目前为止，通过使用光热转换剂并设计巧妙的吸光层图案，使蒸发器的光吸收率很高，一般超过95%。此外，人们还广泛探索了加强热管理的方法，包括限制水传输路径、增加保温层等。面对达到蒸发速率极限的瓶颈，研究人员逐渐将目光投向了能够额外增加能量输入的环境能源，和可以从根本上降低蒸发过程所需能量的蒸发焓。蒸发焓定义为水在恒压下由液态变为气态过程中所吸收的热量。在这个过程中，水和蒸汽混合物的温度不会上升，所有的能量都被用来把水从液体变成气体。已有研究表明蒸发器的水合状态和孔隙结构对蒸发焓的调节起关键作用，但并没有系统地探索相应的规律。
图1. 影响蒸发速率的因素总结
近十年来，太阳能驱动的界面蒸发领域已发表了超过6000篇论文，呈现出蓬勃发展的趋势。虽然已经发表了许多太阳能驱动的界面蒸发在材料选择、界面工程和结构设计方面的相关综述，但关注蒸发焓的综述数量有限。本文主要介绍了实现蒸发器低蒸发焓的调控机制和优化策略，相关内容在图2中进行了逻辑总结。
图2. 本文的内容框架与组织结构
04
结论
为了促进太阳能驱动的界面蒸发系统进一步发展甚至未来进行产业化，需要不断提高其蒸发速率。考虑到研究人员已经做了大量优化热量转化与利用的工作，且蒸发速率似乎已经达到阈值，减少蒸发焓是提高蒸发速率的最基本、有效的方法。学界应开始在评价标准上形成共识，并重点探讨其调控机制、提出相应的微观控制措施，以解决蒸发器蒸发速率有限的瓶颈问题。在这篇综述文章中，我们试图开始这样的讨论，并从计算方法、表征方式、机理探索和调节手段等方面为太阳能驱动的界面蒸发系统降低蒸发焓的研究提供了较全面的综述，有望对太阳能驱动的界面蒸发系统在各个领域的深入研究提供灵感。
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.08.026
纤维素材料34
纤维素材料 · 目录
#纤维素材料
上一篇【Nano Letters】摩擦电赋能异质湿润性表面实现高效雾水收集
