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  蒸發(fā)是自然界中非常重要的一種現(xiàn)象且廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)和生活的過(guò)程中，比如蒸汽殺菌，蒸汽發(fā)電，海水淡化等。2014年以來(lái)，界面蒸發(fā)憑借“熱局域化”特點(diǎn)對(duì)太陽(yáng)能熱實(shí)現(xiàn)了高效利用，引起了研究人員的廣泛探索與研究。然而，目前太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)的研究更多關(guān)注于材料吸收率提升對(duì)于海水淡化效率的影響，對(duì)于氣液界面蒸發(fā)過(guò)程中水運(yùn)輸控制的關(guān)注較少。

  研究人員提出一種新的組裝方法“旋轉(zhuǎn)-填充”，將商業(yè)化的三聚氰胺泡沫（骨架支撐作用），二氧化硅納米粒子（水的運(yùn)輸調(diào)節(jié)，增加機(jī)械強(qiáng)度），以及墨魚(yú)汁納米粒子（光吸收劑）巧妙的組合成一種生物安全性高，機(jī)械輕度大，自漂浮時(shí)間長(zhǎng)的墨魚(yú)汁基太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)器件。

圖1 蒸發(fā)器件具有不同水運(yùn)輸能力的性能表現(xiàn)：超親水的設(shè)計(jì)（左），水運(yùn)輸控制的設(shè)計(jì)（右）

  通過(guò)疏水二氧化硅納米粒子填充所形成的水運(yùn)輸調(diào)控的設(shè)計(jì)，墨魚(yú)汁基蒸發(fā)器件在維持最大蒸發(fā)量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)超過(guò)90%水運(yùn)輸量的控制效率。在1倍太陽(yáng)光照射下，其氣液蒸發(fā)效率可達(dá)到85.8%。通過(guò)實(shí)驗(yàn)以及COMSOL模擬可知，水運(yùn)輸控制和超親水設(shè)計(jì)相比存在以下優(yōu)點(diǎn)（圖1）：1. 適量的水進(jìn)入吸收器內(nèi)部可以有效避免吸收體熱傳導(dǎo)率的大幅度增加，從而利于“熱局域化”狀態(tài)穩(wěn)定快速的形成。2. 蒸發(fā)器內(nèi)適量水的存在，可有效避免吸收體內(nèi)部過(guò)量水的蒸發(fā)顯熱對(duì)于熱量的耗損，從而提高太陽(yáng)能熱利用效率。3. 通過(guò)水運(yùn)輸調(diào)控，蒸發(fā)器邊緣由于沒(méi)有大量的水冷卻，形成了額外的蒸發(fā)區(qū)域（實(shí)驗(yàn)中通過(guò)計(jì)算可知，這一區(qū)域的蒸發(fā)效率約4.8%）。4. 水運(yùn)輸控制，可以減少熱量對(duì)額外水的加熱，極大縮短了墨魚(yú)汁太陽(yáng)能蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率響應(yīng)時(shí)間，這一特性有利于蒸發(fā)器件在多云天氣使用。

圖2.（a）在1倍太陽(yáng)光輻照下，不同鹽度海水的質(zhì)量隨時(shí)間的變化（b）墨魚(yú)汁納米粒子的生物安全性實(shí)驗(yàn)：不同濃度的黑色素納米顆粒的細(xì)胞活性測(cè)試（c）和（d）在細(xì)胞活性實(shí)驗(yàn)中空白組和墨魚(yú)汁納米顆粒組在24小時(shí)變化（e）戶外實(shí)驗(yàn)光照強(qiáng)度變化，2019-10-24，舟山，中國(guó)（f）實(shí)驗(yàn)前CMF的紅外熱像儀照片（直徑10.25cm），時(shí)間2019-10-24，14:30（g）在自然陽(yáng)光下，樣品直徑為4.25厘米（上）和10.25厘米（下部）的光學(xué)照片及紅外相機(jī)照片，時(shí)間2019-10-25，10:30至11:30（h）東海海水脫鹽前后元素變化情況的直方圖，紅色線表示W(wǎng)HO規(guī)定的飲用水中相應(yīng)元素含量的最大值。

  此外，研究人員將該墨魚(yú)汁蒸發(fā)器件應(yīng)用于不同濃度的模擬海水和東海海水的淡化實(shí)驗(yàn)（圖2）。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，獲得的淡化水質(zhì)符合WHO的飲用水標(biāo)準(zhǔn)。此外，研究人員考察了該材料的生物安全性進(jìn)行，以避免其在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)人體或者海洋生物造成化學(xué)傷害。如預(yù)期所料，在不同濃度細(xì)胞活性實(shí)驗(yàn)中，觀察到的IC₅₀大于100mg/ml，具有低的毒性和良好的生物適應(yīng)性。

  上述工作近期以“Engineering controllable water transport of biosafety cuttlefish juice solar absorber toward remarkably enhanced solar-driven gas-liquid interfacial evaporation”[1]為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊Nano Energy，該論文第一作者為陜西科技大學(xué)碩士研究生李政通，共同第一作者為浙江海洋大學(xué)碩士研究生張靜，陜西科技大學(xué)王成兵教授和浙江海洋大學(xué)周英棠教授為論文共同通訊作者。該工作受到國(guó)家自然基金項(xiàng)目，舟山科技項(xiàng)目, 舟山市普陀區(qū)環(huán)境專項(xiàng)項(xiàng)目等支持。

  陜西科技大學(xué)王成兵教授團(tuán)隊(duì)近幾年一直探索生物質(zhì)材料應(yīng)用于界面蒸發(fā)的差異化研究，并且獲得了行業(yè)內(nèi)外研究人員廣泛的關(guān)注與認(rèn)可。

  在Advanced Materials系列子刊Solar RRL發(fā)表界面蒸發(fā)以生物質(zhì)相關(guān)性為分類標(biāo)準(zhǔn)在材料，結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用方面的前沿進(jìn)展報(bào)告[2]，該論文入選最新一期ESI高被引論文。

  在Advanced Sustainable Systems發(fā)表竹子碳基材料應(yīng)用于界面蒸發(fā)[3]，利用竹子天然拱形結(jié)構(gòu)于蒸發(fā)界面所形成的空氣間隔，空氣具備較低的熱傳導(dǎo)效率，可以極大減少在蒸發(fā)過(guò)程中熱傳導(dǎo)損失，該論文受媒體Materials Views China邀請(qǐng)作亮點(diǎn)報(bào)道。

  在Energy Technology發(fā)表了面粉基碳材料應(yīng)用于界面蒸發(fā)[4]，受到中國(guó)傳統(tǒng)工藝“捏泥人”技藝的啟發(fā)，面粉基碳材料可以制備出多種結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器件，如拱形，傘形，空心圓柱，實(shí)心圓柱，半球形等典型且高效的蒸發(fā)結(jié)構(gòu)，研究人員從系統(tǒng)層次考察同種材料不同堆積方式在界面蒸發(fā)過(guò)程中能量耗損，充分說(shuō)明整體的蒸發(fā)器件由于存在較低的熱阻，對(duì)太陽(yáng)能熱的利用更加充分，為界面蒸發(fā)器件實(shí)際化應(yīng)用提供了重要參考，該論文被遴選為當(dāng)期內(nèi)封面。

  在Journal of Materials Chemistry A發(fā)表土豆碳基材料應(yīng)用于界面蒸發(fā)[5]，研究人員發(fā)現(xiàn)土豆碳化后形成的多孔碳泡沫具有非常優(yōu)異的潤(rùn)濕性，可以在氣液界面形成高速水運(yùn)輸通道，基于此提出了一種新的界面蒸發(fā)抗鹽策略。該論文被編輯部選為該雜志的熱點(diǎn)論文，同時(shí)被選為封面論文。

參考文獻(xiàn)：

[1] Zhengtong Li, Jing Zhang, Shaohong Zang, Chao Yang, Hua Jin, Fei Jin, Yang Liu, Jiankun Hu, Chengbing Wang*, Yingtang Zhou*, Engineering controllable water transport of biosafety cuttlefish juice solar absorber toward remarkably enhanced solar-driven gas-liquid interfacial evaporation, Nano Energy (2020), DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104834.

[2] Zhengtong Li, Chengbing Wang*, Jinbu Su, San Ling, Wei Wang, Meng An*, Fast-growing field of interfacial solar steam generation: evolutional materials, engineered architectures, and synergistic applications, Solar RRL 3 (2019) 1800206.

[3] Zhengtong Li, Chengbing Wang*, Tao Lei, Hailin Ma, Jinbu Su, San Ling, Wei Wang, Arched bamboo charcoal as interfacial solar steam generation integrative device with enhanced water purification capacity, Advanced Sustainable Systems 3 (2019) 1800144

[4] Zhengtong Li, Chengbing Wang*, Zeyu Li, Lin Deng, Jinbu Su, Jin Shi, Meng An*, Efficient interfacial solar steam generator with controlled macromorphology derived from flour via "dough figurine" technology, Energy Technology 7 (2019) 1980344.

[5] Chengbing Wang*, Jiulong Wang, Zhengtong Li, Keyuan Xu, Weike Wang*, Superhydrophilic porous carbon foam as self-desalting monolithic solar steam generation device with extremely high energy efficiency, Journal of Materials Chemistry A (2020), DOI: 10.1039/D0TA01439G.

  論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285520303918