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中山大學(xué)翟文濤教授團(tuán)隊(duì)《Adv. Mater.》：泡沫材料助力太陽能驅(qū)動(dòng)海水淡化
2023-04-12  來源：高分子科技


  2022年11月15日，聯(lián)合國正式宣布世界人口突破80億。面對(duì)人們?nèi)找嬖鲩L的用水需求和水資源短缺的全球性挑戰(zhàn)，太陽能驅(qū)動(dòng)海水淡化技術(shù)被廣泛認(rèn)為是解決此類問題的關(guān)鍵途徑之一。強(qiáng)化熱局部化和促進(jìn)鹽循環(huán)是提高太陽能驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)器蒸發(fā)效率的重要手段。然而，強(qiáng)化蒸發(fā)器的熱局部化不可避免會(huì)導(dǎo)致鹽結(jié)晶，而強(qiáng)化蒸發(fā)器的鹽循環(huán)不可避免會(huì)加速熱流失。熱局部化和鹽循環(huán)之間的權(quán)衡效應(yīng)普遍存在于現(xiàn)有的太陽能驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)器，嚴(yán)重阻礙了它的實(shí)際應(yīng)用。我們假設(shè)能夠打破這一權(quán)衡效應(yīng)的理想蒸發(fā)器必須同時(shí)具備強(qiáng)化熱局部化的隔熱結(jié)構(gòu)和促進(jìn)鹽循環(huán)的高效輸水通道。遺憾的是，如此復(fù)雜結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。


  受鳳眼藍(lán)的啟發(fā)，翟文濤教授團(tuán)隊(duì)通過連續(xù)定向冷凍鑄造技術(shù)制備了一種自站立和自漂浮的3D太陽能驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)器。這種新型蒸發(fā)器由有序的水通道和隔熱的泡沫珠粒組成。得益于有序水通道的快速水輸送和泡沫珠粒的隔熱作用，該太陽能驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)了在不影響供水的前提下切斷光熱轉(zhuǎn)換區(qū)的熱量向海水傳遞的傳熱過程，打破了傳統(tǒng)蒸發(fā)器長期存在的鹽循環(huán)和熱局部化之間的權(quán)衡效應(yīng)。此外，有序輸水通道的毛細(xì)作用和泡沫珠粒提供的浮力賦予了自漂浮太陽驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)器較大的暴露高度。大的暴露高度有利于增大蒸發(fā)器的界面蒸發(fā)面積并賦予其收集環(huán)境能量的能力，使蒸發(fā)器的solar-to-vapor轉(zhuǎn)換效率突破100%的理論限制。相比于傳統(tǒng)蒸發(fā)器，所開發(fā)的新型蒸發(fā)器能夠顯著提高海水的蒸發(fā)效率并保障長期脫鹽的穩(wěn)定性。該研究提出了一種全新的太陽能驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)器及其構(gòu)筑方法，也為下一代高效耐鹽蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一種關(guān)鍵的見解。 



圖1 自漂浮和自站立蒸發(fā)器的構(gòu)造示意圖。有序水通道的高效水輸送和泡沫珠粒的隔熱作用打破了蒸發(fā)器熱局部化和鹽循環(huán)之間的權(quán)衡效應(yīng)。

 

圖2 太陽能驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)器的仿生構(gòu)筑。 


圖3 泡沫顆粒強(qiáng)化太陽能驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)器的熱局部化。


  相關(guān)研究以題為“Bioinspired Self-standing, Self-floating 3D Solar Evaporators Breaking the Trade-off between Salt Cycle and Heat Localization for Continuous Seawater Desalination”的文章發(fā)表在《Advanced Materials》上。中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院翟文濤教授為通訊作者。該工作得到國家自然科學(xué)基金的支持。


  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202301596

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