本期分享发表在Carbon杂志上题目为“Highly efficient and stable solar-driven seawater desalination using composite photothermal structures with energy storage”的研究文章。
Part 1 文章简介
太阳能驱动的界面蒸发在解决淡水短缺问题上显示出巨大的潜力。然而，在间歇性阳光和不可控的天气下，它的性能会大大降低。在此，我们提出了一种具有储能功能的复合光热结构（CPSES），以实现高效的水蒸发、能量存储/释放和有效的热管理，用于间歇性阳光下的连续海水淡化。它由内部多尺度金字塔光热结构与微尺度梯度多孔铜泡沫、CuS纳米线和还原氧化石墨烯（rGO）复合材料，以及外部光热储能结构（PESS）CuS-rGO / CF @石蜡组成。得益于CuS-rGO光热结构优异的光热转换性能、梯度加热效应和PESS的储能，CPSES在1太阳照射下显示出4.06 kg / m2h的蒸发速率，与没有储能的复合光热结构（CPS）相比，蒸发性能提高了77％。此外，在间歇性太阳辐射下，CPSES 的蒸发率高达 3.1 kg/m2h。在户外晴天，CPSES 的日均产水量为 21.6 kg/m2，可满足 108 多名成年人的用水需求。这项研究为在间歇性阳光和不可控天气条件下开发高效稳定的太阳能海水淡化系统提供了一种新方法。
方案1是
日光和暗条件下内层多尺度CuS-rGO金字塔光热结构和外层CuS-rGO/CF@石蜡光热储能结构（PESS）的CPSES水蒸发过程示意图。在阳光下，金字塔光热结构和PESS均吸收太阳能并将其转化为热能。由于金属泡沫梯度多孔基质不断供水，水蒸发仅发生在内层金字塔光热结构表面，而外层PESS由于固体石蜡中没有水供应，表面没有发生水蒸发。因此外层PESS的温度高于内层金字塔光热结构。PESS诱导梯度加热效应，提高了金字塔光热结构的表面温度，促进了水的蒸发。在黑暗条件下，由于PESS中的石蜡凝固放热，大量的热量从石蜡中释放到金字塔光热结构中，金字塔光热结构表面仍持续进行水分蒸发。
图1是CPSES的制备与表征。a) CPSES制备示意图；b) CuS-rGO/CF@石蜡的SEM图像；c)含有CuS-rGO复合光热材料的多孔泡沫的SEM图像；d) CF、石蜡、CF@石蜡、rGO/CF@石蜡、CuS/CF@石蜡和CuS-rGO/CF@石蜡的X射线衍射（XRD）；e) CF、rGO/CF、CuS/CF、CuS-rGO/CF光热材料在200-2500 nm太阳光谱范围内的UV-Vis-近红外光谱；f)水在CuS-rGO复合光热材料上的接触角测试；g)水在CuS-rGO/CF@石蜡上的接触角测试。
图2是CuS-rGO/CF@石蜡的光热储能性能。a)1个太阳光照下石蜡、CF@石蜡、rGO/CF@石蜡、CuS/CF@石蜡和CuS-rGO/CF@石蜡的温度曲线；b)红外相机在1个太阳光照下捕捉到的石蜡、CF@石蜡、rGO/CF@石蜡、CuS/CF@石蜡和CuS-rGO/CF@石蜡的温度分布；c) CuS-rGO/CF@石蜡的光热转化与储能机理；d)不同加热温度下石蜡、CF@石蜡、rGO/CF@石蜡、CuS/CF@石蜡和CuS-rGO/CF@石蜡的形状稳定性；e) CuS-rGO/CF@石蜡的DSC曲线；f）CF@石蜡、rGO/CF@石蜡、CuS/CF@石蜡和CuS-rGO/CF@石蜡的热导率。
图3是CPSES 的太阳能蒸发性能。a) 1 个太阳照射下 CPSES 和 CPS 的质量变化；b) 1 个太阳照射下 CPSES 和 CPS 的表面温度；c) 不同太阳光条件下 CPSES 和 CPS 的蒸发速率；d) 带有光热蒸发结构和 PESS 的 CPSES 水蒸发过程示意图；e) CPS 水蒸发过程示意图；f) 1-4 次太阳照射下 CPSES 和 CPS 的蒸发速率；g) 1 个太阳照射下 CPSES 的循环实验结果；h) CPSES 水蒸发速率与近年来报道的其他光热结构的比较。
图4是CPSES 蒸发过程模拟结果。a) 1 个太阳光照下 CPSES 和 CPS 的模拟温度和实验温度；b) CPSES 和周围空气的温度分布；c) CPS 和周围空气的温度分布；d) CPSES 和 CPS 不同位置处的速度变化；e) CPSES 附近的水汽浓度；f) CPSES 和 CPS 不同位置处水汽浓度的变化；g) 具有不同 PESS 宽度的 CPSES 的温度分布；h) 具有不同 PESS 宽度的 CPSES 的温度和蒸发速率的变化。
图5是间歇性阳光条件下CPSES的蒸发性能。a)不同光照比下1个太阳照射下的CPSES表面温度；b)不同光照比下1个太阳照射下的CPSES蒸发速率；c)不同光照比下CPSES的最小、平均、最大蒸发速率；d)不同光照时间下1个太阳照射下的CPSES表面温度；e)不同光照时间下1个太阳照射下的CPSES蒸发速率；f)不同光照时间下CPSES的最小、平均、最大蒸发速率。
图6是户外太阳能海水淡化测试。a) 户外太阳能海水淡化测试系统的照片；b) 上午 10:30 至下午 3:30 一天中太阳辐照度、空气湿度和空气温度的变化；c) 上午 10:30 至下午 3:30 CPSES 和 CPS 表面温度和湿度的变化；d) 在晴天运行 5 小时后收集的水。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2025.119995
引用：Zeng, Long, et al. "Highly efficient and stable solar-driven seawater desalination using composite photothermal structures with energy storage." Carbon (2025): 119995.
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