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研究摘要

近年来，太阳能光热转换驱动的界面水蒸发技术被认为是解决淡水资源短缺的绝佳途径，在海水淡化、污水处理等领域具有广阔的应用前景。为了提高蒸发器的蒸发速率和效率，研究者一直致力于合成高效的光热转换材料和改善蒸发器的功能结构，从而获得具有高效光热转换、良好的热管理、水运输、界面润湿和抗盐等于一体的蒸发器。然而，目前二维（2D）平面蒸发器的蒸发速率已经接近太阳能蒸汽产生的理论极限（1.47 kg m^-2 h^-1）；具有一定高度的三维（3D）立体蒸发器侧壁通常具有冷蒸发特性，致使侧壁温度低于环境温度，从而有效地从周围环境中获取额外的能量，导致蒸发速率高于理论极限。然而，目前大部分3D蒸发器主要集中在提高蒸发表面积，忽略了大量蒸汽停滞在孔隙内部无法扩散的问题，平衡有效蒸发表面积和扩散空间之间的平衡对于高效蒸发速率至关重要。另外蒸发器的抗菌、抗油污、抗盐等特性也决定了蒸发器的使用寿命，同时蒸汽冷凝成液态水的过程中产生的冷凝热焓损失到环境中，导致能量利用率大大降低。

成果简介

近日，青岛大学张宪胜副教授、王莉莉副教授、曲丽君教授和中科院宁波材料技术与工程研究所梁坤研究员合作，创新制备了MXene和聚多巴胺/聚乙烯亚胺（PDA/PEI）修饰的具有多级孔隙的麻纱线垂直阵列结构3D蒸发器，并进一步设计了蒸发焓可回收利用的冷凝装置，将其成功组装成一个太阳能“海水淡化-热电-灌溉”一体化平台，实现了能源的最大化利用。该蒸发器在一个太阳光下的蒸发速率高达3.95 kg m^-2 h^-1，室外连续8小时测试可实现47.04 kg m^-2的淡水收集量。由于蒸发器纱线间宏观孔隙及纤维间微孔隙协同促进了盐水的对流和扩散，即使在14%的盐水中连续一个太阳光照射120 h，蒸发器表面也没有任何盐晶体析出，表现出优异的耐盐性。另外，麻纤维的本征抗菌性和MXene高效杀菌特性，赋予蒸发器优异的抗菌和防生物污染性能。PDA/PEI涂层在麻纤维表面形成的水合层表现出稳定的亲水性和水下超疏油性，不仅可以加快水的输送，而且表现出良好的抗油污染能力，进一步保证了蒸发器在不同复杂环境的长期稳定性。最后，通过水收集装置中创新的冷凝器多模块设计，将蒸汽焓应用于热电转化，余热进一步预热待蒸发的循环海水，实现了能源的多次利用。

该成果在线发表于国际顶级期刊 Advanced Functional Materials (影响因子19.924) 上，题目为：A Multiscale Porous 3D-Fabric Evaporator with Vertically Aligned Yarns Enables Ultra-Efficient and Continuous Water Desalination。

雷志伟和朱士凤为本文第一作者。

图文导读

图1.垂直阵列三维蒸发器的“海水淡化-热电-灌溉”一体化平台示意图。

图2. 3D立体织物蒸发器结构表征和热定位性能。（a）PP/M/PP-H的制造过程示意图，（b）垂直排列的麻纱线蒸发器照片，（c-d）Pristine-H、PP-H、M/PP-H、PP/M/PP-H（样品名称：H=麻，PP=PDA/PEI，M=MXene）的SEM图像和XPS光谱，（e）PP/M/PP-H可承受100克重量的图片，（f）水接触角，（g）PP/M/PP-H的吸收光谱，（h）PP/M/PP-H在热板上的红外图像。

图3. 水蒸发性能。（a）蒸发器顶部表面和底部的温度图（左）、蒸汽产生图像（右），（b）蒸发器的示意图，（c）PP/M/PP-H-D1、D2、D3、D4蒸发器的蒸发速率（D代表不同纱线间隙），（d）在1个太阳下各种对流下PP/M/PP-HD2蒸发器的水质量损失，（e）测量的PP/M/PP-H-D2在10个循环中的蒸发循环性能，（f）不同高度的三维蒸发器在黑暗和阳光下的蒸发速率，（g）不同三维蒸发器的效率和蒸发速率的对比，（h）PP/M/PP-HD2在0°和45°阳光照射下的红外热图像，（i）PP/M/PP-HD2在0°和45°阳光照射下的水损失。

图4. 抗菌、抗油污、抗盐性能。（a）不同样品中菌落细胞生长的琼脂板的数字图像,（b）不同样品的抗菌效率,（c）PP/M/PP-H的水下油接触角,（d）PP/M/PP-H良好抗油污性能，（e）PP/M/PP-H在水下优越的抗油污性能示意图，（f）PP/M/PP-H蒸发水量（测试溶液：大豆、煤油和汽油水包油乳液），（g）PP/M/PP-H耐盐性的图像，（h）盐-水交换的示意图。

图5. 海水淡化-热电-灌溉一体化平台。（a）离子在脱盐前后的浓度，（b）溶液的吸收光谱，（c）TEG模块的开路电压，（d）海水淡化-热电-栽培系统的实验装置示意图，（e）TEG模块开路电压的图像，（f）室外楼顶海水淡化-热电-灌溉系统装置的图像，（g）室外蒸发光照强度、环境温度以及收集水图像。

总结

本文设计并开发了一体化3D蒸发器系统，在实际海水淡化中成功地实现了优异的蒸发性能、抗生物/油污染性能、耐盐性能，并回收利用蒸发焓获取电能。垂直阵列的3D蒸发器的多尺度孔隙（大孔和微孔）结构通过增加入射光的多次反射有助于捕获光（97.5%的光吸收），促进光热转换。这种结构也增加了有效空气/水界面和蒸汽扩散空间、同时侧壁具有从环境中吸收能量的特性，实现了全维度的水蒸发。基于上述性能，一个太阳光照下蒸发器的蒸发速率为3.95 kg m⁻² h⁻¹，在对流4 m s⁻¹下充分扩散，蒸发速率达到13.25 kg m⁻² h⁻¹，室外连续8小时的蒸发量高达47.04 kg m⁻²。同时，这种独特的结构促进了水的对流和扩散，蒸发器即使在14%的盐水中连续照射120 h（1个太阳光），表面也没有任何盐晶体析出，表现出优异的耐盐性。此外，麻纤维固有的抗菌作用和MXene的高效杀菌性能抑制蒸发器附近的细菌生长，显示出优越的抗生物污染性能。PDA/PEI涂层在纤维表面形成的稳定水合层保护蒸发器免受含油污染物的污染。最后创新地设计了一个“海水淡化-热电-灌溉”一体化的蒸发系统，通过多模块冷凝器回收的蒸汽焓被用于热电发电（TEG）和预热要蒸发的循环海水，实现了可用能源的多重利用，且淡化水通过灌溉栽培平台用于实时和按需作物生长。本蒸发器系统的集成设计为开发可持续、耐用和可扩展的太阳能蒸发系统提供了新思路。

文献链接

https://doi.org/10.1002/adfm.202205790

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