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上海交大張垚鑫、上海理工熊婷 Matter Preview 文章：動(dòng)態(tài)水閘促進(jìn)微納米水膜的形成-從而實(shí)現(xiàn)快速太陽能驅(qū)動(dòng)的蒸發(fā)
2024-10-12  來源：高分子科技

  太陽能驅(qū)動(dòng)的界面蒸發(fā)技術(shù)因其卓越的能源效率、低碳足跡、高成本效益和無二次污染等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于海水淡化、污水處理、燃料和電力生產(chǎn)及其他能源/環(huán)境領(lǐng)域。傳統(tǒng)蒸發(fā)器通常依靠毛細(xì)作用實(shí)現(xiàn)持續(xù)供水，這往往會(huì)導(dǎo)致水充滿整個(gè)多孔結(jié)構(gòu)，從而造成不必要的寄生熱損失。為進(jìn)一步提高蒸發(fā)性能，上海交通大學(xué)和上海理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合在期刊Matter上發(fā)表題為“Dynamic water gating facilitated the formation of micro-nano water films for rapid solar-driven evaporation”的Preview論文，介紹了微納水膜強(qiáng)化的太陽能界面蒸發(fā)結(jié)構(gòu)。



  為降低蒸發(fā)界面的寄生熱損失，Wang 等人最近報(bào)道了一種具有雙層結(jié)構(gòu)的太陽能蒸發(fā)器 (SDWE)，它具有動(dòng)態(tài)流體流動(dòng)控制機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的薄膜供水和高效蒸發(fā)（圖 1A）。該雙層結(jié)構(gòu)由頂部光熱涂層和底部智能基底組成。頂部的聚多巴胺涂層可實(shí)現(xiàn)高效的光熱轉(zhuǎn)換，而底部的熱響應(yīng)孢粉質(zhì)則充當(dāng)“智能門”，實(shí)現(xiàn)供水速率的智能調(diào)控。具體而言，孢粉質(zhì)的溫度在光照前無法達(dá)到其最低臨界溶解溫度 (LCST)，因此它仍然表現(xiàn)出親水性。此時(shí)，SDWE 可以從底部水中垂直泵送大量水到其蒸發(fā)表面，從而填充 SDWE 的較大孔隙（圖1B）。光照后，孢粉質(zhì)的溫度超過其LCST，孢粉質(zhì)層隨即轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷疇顟B(tài)，阻止孔隙內(nèi)水的進(jìn)入，從而促進(jìn)薄水層的持續(xù)供應(yīng)（圖1B）。在穩(wěn)定的光照下，SDWE 表面水膜始終以薄膜的形式存在（圖1C），因此在1 sun下實(shí)現(xiàn)了3.58 kg m-2 h-1的高蒸發(fā)速率。SDWE的高蒸發(fā)性能可歸因于界面低熱量損失和低表觀蒸發(fā)焓的協(xié)同作用。從宏觀上看，與本體水相比，薄水膜提供了更大的有效蒸發(fā)面積、抑制了熱量損失并降低了蒸汽傳遞阻力。從微觀上看，薄水層蒸發(fā)熵降低，可誘導(dǎo)水分子以團(tuán)簇形式蒸發(fā)，而不是在微通道內(nèi)單獨(dú)蒸發(fā)。因此，SDWE 顯示出較低的等效蒸發(fā)焓（~1080 J g-1）。 


圖1 光熱蒸發(fā)結(jié)構(gòu)中的微納水膜設(shè)計(jì)

  類似地，成等人從天然巖石中水的存在形態(tài)中汲取設(shè)計(jì)靈感，開發(fā)出具有低表面能的多孔材料，構(gòu)建了微納水膜強(qiáng)化的蒸發(fā)結(jié)構(gòu)（圖 1D）。通過調(diào)節(jié)水膜厚度，該結(jié)構(gòu)在 1 sun下實(shí)現(xiàn)了約 2.18 kg m-2 h-1 的高蒸發(fā)率。無獨(dú)有偶，鎳泡沫表面的CuO 微針也被證明能有效誘導(dǎo)微納水膜的形成。微納水膜的設(shè)計(jì)理念暗合中國傳統(tǒng)哲學(xué)中的陰陽平衡，其中，高傳質(zhì)速率會(huì)增加寄生熱損失，而弱傳質(zhì)速率會(huì)限制蒸發(fā)動(dòng)力學(xué)并降低阻鹽性能（圖 1E）。只有通過精確調(diào)節(jié)微納米水膜厚度實(shí)現(xiàn)熱質(zhì)平衡，SDWE 才能實(shí)現(xiàn)高蒸發(fā)性能。除了 SDWE，其他先進(jìn)的蒸發(fā)材料也可以基于此原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。


  原文鏈接 http://dx.doi.org/10.1016/j.matt.2024.08.004

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