转自能源学人
全球正面临严峻的资源危机：超10亿人缺乏清洁饮水，矿物资源的争夺愈发激烈，而气候变化也持续威胁能源供应链。如何在资源紧张的背景下实现清洁能源转型，同时高效回收有限资源，已成为科学界和社会共同关注的核心问题。近日，大连理工大学李林教授等人在《Energy & Environmental Science》发表了关于太阳能驱动界面蒸发（SDIE）技术的最新观点文章，提出了以“梯度工程”为核心的创新策略，旨在利用温差、盐度差和离子浓度差等梯度场，不仅实现清洁水生产，还可联产绿色电力和高价值矿物资源，为解决资源与能源短缺问题提供了崭新的技术路径。太阳能驱动界面蒸发（SDIE）技术通过太阳能加热界面层，形成梯度场（如温度梯度、盐度梯度和离子浓度梯度），从而推动能量和物质的高效转化。这种技术可应用于从海水淡化到能源回收的多种场景。然而，当前SDIE系统在实际应用中面临一系列挑战：1. 梯度场的强度不足：自然梯度有限，能量和资源的转化效率受到限制。2. 系统稳定性差：复杂环境下（如高盐度海水或工业废水）梯度场易受干扰，导致性能下降。3. 产业化难题：现有设计大多停留在实验室阶段，规模化应用面临技术瓶颈。“梯度场是这类技术的灵魂，”大连理工大学王昊楠副教授表示，“只有构建更强、更稳定的梯度场，才能让SDIE技术真正发挥其潜力。”本文提出“梯度工程”的概念，围绕梯度场的构建、强化和协同利用展开，为SDIE技术的未来发展提供了理论框架和设计方法。以下是主要亮点：系统分类：研究团队将SWEM系统分为两大类型：水电联产和水矿联产，并详细分析了不同梯度场的构建原理。优化策略：针对不同梯度场，团队提出了构建与协同优化的设计原则，提升了能量与物质的转化效率。渗透能收集：通过高性能仿生纳米流体通道的设计，大幅提升离子迁移效率，将温差和盐度梯度转化为绿色电力。热电发电（TEG）集成：提出了基于智能光学材料的解耦设计，解决了白天光热和夜间辐射冷却之间的热力学冲突，实现了连续能量输出。矿物提取：利用梯度优化大幅提高锂和铀等高价值资源的富集效率，特别是在海水淡化和高盐度废水处理中展现出显著优势。研究团队提出了多梯度场协同优化的方法，强调技术的环境适应性，并为不同气候条件下的应用提供了方向指导。研究团队在文章中对梯度工程的发展方向与挑战进行了全面分析，并描绘了SDIE技术的未来蓝图：开发新型材料（如光热材料、智能吸附剂和高选择性纳米流体通道）以构建更强的梯度场，同时增强其环境耐久性。冷凝效率问题：高蒸发速率往往伴随冷凝效率不足，团队提出级联设计策略，以协调蒸发与冷凝环节，从而提升资源产出效率。环境适应性：需解决弱光、低温等极端环境下梯度场的维持问题，探索热管和太阳能集中器等技术的集成应用。梯度工程的进一步发展需要材料科学、工程物理和化学工程的深度融合，以解决多梯度场的耦合优化问题。规模化应用需解决成本、环境适应性和技术稳定性问题，尤其是开发低成本、高效率的梯度构建方法。如团队提出的，通过结合废热回收和海水淡化工艺，将SDIE技术应用于能源消耗大的工业场景，未来可望实现技术的经济效益与社会效益双提升。梯度工程的提出为界面蒸发技术提供了新方向。这项研究不仅在理论层面解决了SDIE系统的性能瓶颈，还描绘了技术未来应用的现实场景：1. 解决饮水短缺：为缺水地区提供高效的清洁水生产方案。2. 助力能源转型：通过梯度驱动的绿色电力生产减少化石燃料依赖。3. 资源回收与再利用：实现锂、铀等关键矿物的高效提取，为全球低碳经济发展提供支撑。“这不仅是一项技术突破，更是为全球可持续发展提供的创新解决方案，”李林教授总结道。文献信息：Gradient engineering in interfacial evaporation for water, energy, and mineral harvesting, L Li, X Sun, J Miao, H Wang, Y Song, D Tang, Energy & Environmental Science, 2025 https://doi.org/10.1039/D4EE05239K
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