Nature Energy綜述：太陽能驅動的界面蒸發

【前言】

太陽能熱技術是獲取太陽能用于加熱和儲能應用的直接方式。太陽能熱技術的一種實施方式，即太陽能驅動蒸發，涉及在低于沸騰溫度的溫度下產生蒸汽，以及在沸騰溫度或高于沸騰溫度下產生蒸汽。作為一種基本的熱過程，太陽能驅動的蒸發在推動全球各種應用中發揮著無處不在的作用，自古以來，人類就使用它來產生清潔的水。在現代社會中，它也被用來驅動許多重要的工業過程，如發電和蒸汽消毒。迄今為止，太陽能熱能在許多應用中仍未得到充分利用，這主要是由于與所需的高光學濃度相關的復雜性和高成本。此外，盡管太陽能驅動的蒸發在自然環境中普遍存在，但利用和轉換蒸發過程中的能量的研究很少。

在沒有光聚集的太陽能驅動蒸發系統中，例如太陽能蒸餾器，熱量在接收器表面產生，而蒸汽在系統的其他地方產生。這種熱量和蒸汽產生的分離導致較大的熱質量和從熱量產生到蒸發表面的不必要的溫度下降，這反過來導致不可避免的熱量損失，并導致太陽能蒸餾器中相對較低的蒸發效率為30 - 45 %。為了減少表面熱損失，使用光學納米流太陽能吸收方法已經被證明是通過將熱產生移動到流體內部來實現的。體積加熱策略僅實現了適度的蒸發效率提高，因為它們不是專門為蒸發應用設計的，在蒸發應用中需要高表面溫度20。此外，納米流體在長期強太陽輻射下的強分散和泵送仍然具有挑戰性。近年來，科學家提出了一種界面蒸發方法來改善液體表面的熱定位，并在降低光學濃度的情況下成功地實現了約90 %的蒸發效率。這種方法選擇性地加熱水的蒸發部分，而不是整個水體。這種太陽能驅動的界面蒸發避免了體積加熱，最小化了光熱材料的使用量，并提供了動態調整蒸發性能的額外方式，包括蒸發蒸汽流量和蒸汽溫度。由于這些優勢，太陽能界面蒸發有可能擴大太陽能熱技術在密集、獨立和便攜式系統中的應用。

【成果簡介】

作為一種無處不在的太陽能-熱能轉換過程，太陽能驅動蒸發因其太陽能轉換效率高和轉換工業潛力大而引起了巨大的研究關注。近年來，通過將太陽能-熱能轉化為空氣/液體界面的局域化，太陽能驅動的界面蒸發被認為是傳統的基于整體加熱蒸發的一種有前景的替代方案，有可能減少熱損失并提高能量轉化效率。近日，來自南京大學朱嘉教授，美國麻省理工學院的陳剛教授以及上海交通大學的鄧濤教授（共同通訊）聯合在Nature Energy上發表綜述文章，題為“Solar-driven interfacial evaporation”。在這篇綜述中，作者討論了實現高性能蒸發的關鍵部件的發展，包括太陽能吸收器、蒸發結構、絕熱體和熱集中器，并討論了它們如何改善太陽能驅動的界面蒸發系統的性能。作者描述了將這種高效的太陽能驅動界面蒸發工藝應用于能量轉換應用的可能性。還討論了太陽能驅動界面蒸發過程的基礎研究和實際應用中令人興奮的機遇和挑戰。

【圖文導讀】

圖1.通過各種形式的太能你加熱進行的太陽能驅動蒸發

a、基于底部加熱的蒸發，其中太陽能被太陽能吸收器吸收并轉換成熱能，以從底部加熱液體。

B、基于體積加熱的蒸發，其中均勻分散的太陽能吸收器將入射的太陽能光子轉換成熱能以加熱液體。

c、基于界面加熱的蒸發，其中太陽熱轉換和加熱位于空氣-液體界面。

圖2. 光吸收器用于光驅動界面蒸發

a, 石墨烯太陽能熱轉換的工作原理，一種碳基太陽能吸收器。

b, 碳基太陽能吸收器的太陽輻照光譜和代表性吸收光譜。

c, 等離子體基太陽能吸收器光熱轉換原理示意圖。

d, 基于等離子體激元的太陽能吸收器的代表性吸收光譜包括等離子體激元NP分散體(藍線)、紙支撐的自組裝等離子體激元NP膜(紅線)和AAO模板化等離子體激元NP膜(紫色線)。

e, 光譜選擇性太陽能吸收器的示意結構。

f, 黑體吸收器和光譜選擇性吸收器在100℃下輻射熱損失的比較。

圖3. 光驅動界面蒸發結構

a, 多孔浮動結構示意圖，該結構將太陽能熱加熱定位在界面處。

b, 自清潔超疏水蒸發表面示意圖。

c,d, 示意圖顯示了表面潤濕性對太陽能驅動界面蒸發性能的影響:親水底層(c)和用氟硅烷表面改性的疏水底層(d)。

圖4. 太陽能驅動界面蒸發系統的漸進隔熱設計

a, 單層浮動蒸發結構。

b, 由浮動多孔絕熱體支撐的雙層蒸發結構。

c, 雙層蒸發結構，由封閉的絕熱體支撐，以抑制向下的熱損失。

d, 通過使用選擇性太陽能吸收器和透明氣泡翹曲蓋，減少了來自頂部太陽能熱表面的輻射和對流熱損失。

圖5. 不同光驅動界面蒸發系統的蒸發效率

不同太陽能驅動界面蒸發系統中蒸發效率與太陽能照明功率密度的關系比較。

圖6. 熱濃度下太陽能驅動的界面蒸發

a, 環境壓力下通過熱濃縮在100℃下產生蒸汽的示意圖。

b, 蒸發效率和蒸汽溫度取決于熱濃度。

圖7. 太陽能驅動的界面蒸發能夠實現典型的能量轉換應用

a, 在真空室內快速蒸汽輸送驅動的太陽能熱能收集。太陽能加熱區的快速液體-蒸汽蒸發和放熱區的蒸汽-液體冷凝使得太陽能-熱能的有效熱傳遞能夠用于遠離熱源的加熱應用。

b, 蒸發驅動發電示意圖。太陽能驅動的鹽水界面蒸發產生鹽度梯度，鈉離子(粉紅色點)擴散穿過膜產生電能。

c, 機械能收集示意圖。

d, 太陽能化學燃料生產示意圖。在催化劑的幫助下，二氧化碳和水蒸氣被轉化為碳氫化合物燃料。

【總結】

在過去的幾年里，通過不同學科的共同努力，太陽能驅動的界面蒸發得到了廣泛的研究。雖然太陽能驅動的界面蒸發和提高太陽能-蒸汽能量轉換效率的優勢已經得到了清楚的展示，但是還需要進一步的基礎研究來優化界面處太陽能轉換、能量傳輸、質量傳輸和蒸汽擴散動力學的耦合，以便能夠更深入地理解所涉及的過程，從而獲得更好的性能。一個例子是實現最大化的太陽能-蒸汽轉換效率，而與太陽能濃度無關。為了實現高能量轉換效率，需要進一步減少所探索的蒸發系統中來自高輻射率水的高輻射熱損失。為此，有必要系統研究太陽能吸收器、蒸發結構和絕熱體的微/納米結構設計和表面化學對動態蒸發行為和平衡蒸發性能的影響。開發新的智能蒸發系統，可以在需要的時候運行，并且可以自動調節蒸發速率、蒸汽溫度和蒸汽擴散方向，這可以將它們的應用擴展到其他領域。在這方面，自然生物系統對蒸騰過程的智能調節可以提供充足的靈感。

有利的界面太陽能驅動蒸發使得太陽能蒸汽產生與其他工業過程相結合，探索太陽能的多功能用途。為了擴大這一跨學科領域的機會，需要對局部加熱、流體流動和蒸汽流動如何影響蒸發輔助系統(如光催化水凈化系統)的增強性能進行定量分析和機械理解。還應開發能夠同時將太陽輻射轉化為熱量和催化化學反應的其他太陽能吸收器，例如最近報道的黑色TiO₂納米籠、TiO_x NPs和Ti₂O₃ NPs。另一個重要的研究課題是探索新的策略，將高效的太陽能驅動界面蒸發與其他太陽能熱或太陽能化學工藝相結合，用于全太陽能化學合成、材料制造和工業加工，如蒸餾和滅菌。對于那些對太陽光子分布敏感的過程，光譜分裂技術和光纖光導技術，其他太陽能采集領域中使用的技術可以被引入多功能太陽能驅動蒸發系統，將太陽能-熱能儲存技術集成到界面蒸發系統中，有助于解決氣候相關的太陽輻射間歇性問題。

為實際應用實施太陽能驅動的界面蒸發工藝將需要在材料和系統層面進行進一步的研究和開發，特別是考慮到商業規模的可制造性。應該選用市場上可買到的、可以低成本生產的堅固、輕質、廉價、高效的太陽能熱轉換材料、供水材料和浮動絕緣材料。成功的脫鹽和鹽度發電技術需要防止鹽沉積和污染問題，這些問題可能會阻礙設備運行。同樣，實際的蒸發能能量收集需要漂浮蒸發結構在太陽輻射和水浸下的長期穩定性。從化學到生物，各種來源的污染影響也需要進一步研究。在系統層面，將太陽能驅動的界面蒸發系統與商用太陽能熱系統集成起來，直接驅動熱循環或熱化學循環用于離網化學生產，將是有價值的。雖然還需要進一步的研究和開發，但局部蒸發設計的內在優勢意味著，太陽能驅動的界面蒸發不僅會加速太陽能的收集和利用，還會激發目前不被太陽能驅動的其他能源過程的新設計。

文獻鏈接：Solar-driven interfacial evaporation, (Nature Energy, 2018, DOI: 10.1038/s41560-018-0260-7)

本文由材料人編輯部納米組Z,Chen供稿，材料牛整理編輯。

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