不生產水，我們只是它的搬運工｜談幾點太陽能水蒸發技術

太陽能水蒸發技術：利用太陽能從液態水中提取水蒸氣，為發展環保和經濟有效的淡水生產提供了基礎。

由于液態水相變消耗能量，這在太陽能水蒸發過程中起著至關重要的作用。因此，廣泛的實驗和理論研究集中在水資源管理，以實現高效的太陽能蒸汽生產。另外，

許多創新材料已被提出，以實現高度可控和高效的太陽能到熱能的轉換，以解決從微觀到分子水平的能量-水關系的挑戰。

下面從近期經典研究進展中，談三點太陽能水蒸發技術的那點事。一起來看如何開發高效太陽能蒸汽發生器，如何使材料能夠影響水的加熱、傳遞和相變行為的設計原則，如何協同改進SVG過程。

一、太陽能光熱調控

全光譜利用的水電協同聯產器件

能源和清潔水是人類文明和可持續發展的兩個相互交織的基本要素。在這里，南京大學的朱嘉教授、譚海仁教授等人設計了一個串聯太陽能電-水發電機，利用太陽能輻射的全光譜協同發電和清潔水。串聯發電機有兩個組成部分:頂部的紅外透明光伏裝置產生綠色電能，底部的太陽能凈水系統淡化海水/處理污水。在頂部電池和底部純化系統中設計的防水傳熱連接層(WTIL)使這兩個組件協同工作；底部的水凈化系統可作為蒸發冷卻器給頂部電池降溫，提高光電轉化效率；而頂部電池的熱化熱也可被底部水凈化系統利用，進一步用于水淡化過程。基于此，這一水電聯產器件可同時輸出電能 （204 W m^-2）和凈化水（ 0.8 kg m^-2?h^-1）, 從而達到74.6%的總太陽能利用率。這一設計既為便攜式的水電聯產需求提供了一種解決辦法，也有望被運用在大型的水電協同生產中。相關研究以“Synergistic Tandem Solar Electricity-Water Generators”為題目，發表在Joule上。

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DOI: 10.1016/j.joule.2019.12.010

全光譜利用水電協同聯產器件

利用分層納米結構凝膠實現高效太陽能水蒸發?

太陽能水蒸發是一種有效的方式來收集太陽能凈化污染水或鹽水。然而，水蒸發要么是太陽能利用效率低，要么是依賴復雜而昂貴的光集中附件。在這里，美國德克薩斯大學奧斯汀分校的余桂華教授聯合科羅拉多大學大學楊榮貴教授、北京理工大學曲良體教授等人演示了一種基于聚乙烯醇(PVA)和聚吡咯(PPy)的分層納米結構凝膠(HNG)，它作為一個獨立的太陽能蒸汽發生器。轉換后的能量可以就地利用，來驅動PVA網絡的分子網格中包含的水的蒸發，水凝膠的骨架可以促進水分的蒸。漂浮的HNG樣品可以利用一個標準太陽照射的94%的能量實現3.2 kg m^?2?h^?1的蒸發量，在凈化鹽水中時每天每平方米HNG可以蒸發純化18-23升鹽水。這些值的實現是因為在太陽光照射下，分子網格中水蒸發的潛熱大幅降低。相關研究以“Highly efficient solar vapour generation via hierarchically nanostructured gels”為題目，發表在Nature?Nanotechnology上。

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DOI:?10.1038/s41565-018-0097-z

基于HNG的高效太陽能蒸發水原理圖

全向跟蹤和捕獲光的人工向光性

人們開發了多種具有刺激響應性的材料，這些材料可以在光，電場，磁場，pH或溫度變化下，完成多種響應性形變或運動。然而，這些運動的方向大多不具有由環境刺激信號決定的方向性。在這里，加州大學洛杉磯分校的賀曦敏教授團隊報告了一個基于納米結構的刺激響應聚合物的人工向光性系統，該系統可以在一個寬廣的溫度范圍內瞄準并對準三維入射光的方向。這種自適應的重新配置是通過一個內置的反饋回路來實現的，該回路植根于材料的光熱和機械性能。該系統被稱為太陽花狀仿生全向跟蹤器(SunBOT)。研究展示了一組太陽機器人，可以用于太陽能蒸汽產生設備。由于增強了非取向材料在傾斜情況下的照明角度，它實現了高達400%的太陽能收集。太陽機器人背后的原理是通用的，可以擴展到許多響應材料和廣泛的刺激范圍。相關研究以“Artificial phototropism for omnidirectional tracking and harvesting of light”為題目，發表在Nature?Nanotechnology上。

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DOI: 10.1038/s41565-019-0562-3

太陽機器人的設計和機制

MOF基層次結構用于太陽能水蒸發產水

太陽能蒸發作為一種很有前途的清潔水生產方法，越來越受到人們的重視。然而，太陽能水蒸發器同時具有較高的水蒸氣生成能力和抗油污染能力的研究尚未見報道。在此，新加坡南洋理工大學張華教授團隊合理地設計和制備了一種獨特的以MOF為基礎的分層結構(MHS)，該結構同時具有較高的太陽吸收率和超親水性及水下超疏油表面性能。作為概念驗證的應用，由MHS制備的設備在1個太陽光照條件下可獲得1.5 kg m^?2?h^?1的高太陽熱水蒸發率。更重要的是，MHS還具有優異的防油污性能，即使在含油污水中也能保證其優異的蒸發性能。MHS具有較高的太陽熱蒸發率和抗油垢性能，是一種很有前途的太陽能熱水生產材料。相關研究以“MOF-Based Hierarchical Structures for Solar-Thermal Clean Water?Production”為題目，發表在Advanced Materials上。

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DOI: 10.1002/adma.201808249

MHS的太陽能吸收特性

二、蒸發器內的水傳遞

酚醛樹脂作為高效太陽能蒸發的雙層光熱材料

太陽能蒸汽發電已經成為利用太陽能進行海水淡化和污水處理的高效綠色技術之一。在此，蘭州理工大學的李安教授、梁衛東教授證明了一種簡單易行的方法，可大規模制造酚醛泡沫(PAFs)，它是由甲醛與苯酚和對苯二酚通過一步水熱法聚合合成的，是一種用于高效太陽能蒸汽發電的雙層光熱材料。得到的PAFs孔隙率高于93.6%，表觀密度低(0.152-0.167 g cm^-3)，導熱系數低(0.034-0.054 W m^-1?k^-1)，機械強度好(30%應變下為0.07 MPa)。緊密堆積的開放水道的存在，結合其表面的超親水性(水接觸角~0^o)，保證了PAFs水分子的快速運輸。在PAFs表面涂覆一層碳煙灰后，制備了一種具有增強光吸收能力(~90%)的雙層光熱材料(CPAFs)。在1個太陽照射下，CPAFs的蒸發量為1.4922 kg m^-2?h^-1，太陽能轉換效率為87.86%，是高效太陽能脫鹽的理想太陽能發電裝置。結合其簡單、可擴展、低成本的制造工藝，表明該CPAFs具有巨大的實際應用潛力。相關研究以“Superhydrophilic and mechanically robustphenolic resin as double layered photothermal materials for efficient solarsteam generation”為題目，發表在?Materials Today Energy上。

文獻鏈接：DOI: 10.1016/j.mtener.2019.100375

CPAFs的制備示意圖、光吸收曲線及CPAFs太陽能光熱轉化示意圖。

界面光熱增強的大氣取水器

從空氣中獲取水是一種很有前途的淡水生產戰略，對于缺乏直接獲得清潔水的地區尤其可取。高濃度液體吸附劑以高吸附性著稱，但由于其解吸困難，尚未廣泛應用于大氣水的收集。南京大學朱嘉教授團隊將高效界面光熱技術應用到空氣取水器中，界面光熱增強的空氣取水器件，提升了液態吸收材料的脫附效率，同時通過材料設計解決了高濃鹽水中吸收體結鹽的問題。基于抗鹽氧化石墨烯的氣凝膠的界面太陽能蒸發技術被證明能夠使基于高濃度液體吸收劑(CaCl₂?50 wt%)的大氣水發生器工作。在相對濕度為70%左右的條件下，可實現日產2.89 kg m^-2水量（相對應的脫附效率可達66.9%）。這種低成本和有效的方法提供了一個有吸引力的途徑來從空氣中提取水，以緩解干旱、內陸和其他淡水稀缺地區的淡水缺乏。相關研究以“Interfacial solar heating assisted liquid sorbent atmospheric water generator”為題目，發表在Angew. Chem. Int. Ed.上。

文獻鏈接：

DOI: 10.1002/anie.201905229

基于液體吸附劑的界面太陽能輔助大氣水發生器(AWG)

植物葉片啟發太陽能驅動的高效凈水器

天然植物的葉片依靠不同的滲透壓、蒸騰和排水來產生大量的清潔水，這些水由陽光提供動力。受此啟發，清華大學的Chun?Li教授、Hongyun Ma教授等人報告一個太陽光驅動的高效水凈化和生產凈化器。這款太陽能凈化器的特點是采用負溫度響應的聚(n -異丙基丙烯酰胺)水凝膠(PN)，固定在超親水的三聚氰胺泡沫骨架上，并在外面涂上一層PNIPAm改性石墨烯(PG)濾膜。分子動力學模擬和實驗結果表明，PNPG-F凈化器中相對剛性三聚氰胺骨架的超親水性明顯加快了三聚氰胺的溶脹/脫附速率。在一個太陽照射下，這個合理的工程結構提供了4.2 kg m^?2?h^?1的收集，并通過蒸騰和排水的合作，為單獨的高鹽PNPG-F凈化器提供了> 99%的離子排斥，研究設想這樣一個高效的太陽能驅動系統可以在不同的水處理中有很大的應用潛力。相關研究以“Plant leaves inspired sunlight-driven purifier for high-efficiency clean water production”為題目，發表在Nature?Communications上。

文獻鏈接：

DOI:?10.1038/s41467-019-09535-w

太陽能凈水器(PNPG-F)水處理原理圖

雙層聚合物泡沫用于高效和穩定的太陽能脫鹽

太陽能蒸發裝置的制造工藝復雜，效率低，耐久性差，且不可重復使用。在此，基于預先壓制的三聚氰胺泡沫(MF)，青島大學的李晨蔚、劉敬權教授等人制造了一個可伸縮的，低成本，耐用的雙層聚合物泡沫用于高效和穩定的太陽能蒸汽發電。利用雙層結構，不同的功能被分配到不同的層，聚吡咯(PPy)涂層預壓MF用于吸收光和蒸發水，底層預壓MF層用于輸送水和隔熱。平均蒸發量高達1.574 kg m^?2?h^?1，在1個太陽照射下產生的蒸汽效率高達90.4%。雙層泡沫在一系列惡劣條件下表現出顯著的魯棒性和穩定性。雙層泡沫塑料在耐久性試驗中(30天以上，每天60分鐘)保持結構穩定性和蒸發性能，具有長期耐久性、良好的防污性能和良好的重復使用性。兩種簡單的原型裝置在陸地和水中產生太陽能蒸汽的潛在實用性。這種低成本、大規模、耐用的太陽能蒸汽發電裝置在自然光照條件下高效、穩定地產生淡水是很有前途的，這對缺乏淡水供應的偏遠地區來說尤其具有吸引力。相關研究以“Scalable and robust bilayer polymer foams for highly efcient and stable solar desalination”為題目，發表在Nano?Energy上。

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DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.03.087

雙層泡沫塑料的制備原理圖

三、水分子狀態的激活

構建高水化聚合物網絡，調整水的狀態，用于太陽能水凈化

太陽能蒸餾法凈水是一種很有前途的淡水生產技術。然而，太陽能的蒸汽生產是能源密集型的，導致在自然光照下的水產量很低。因此，開發能夠降低水汽化能量需求、加快太陽能水凈化的新材料是非常必要的。在此，美國德克薩斯大學奧斯汀分校的余桂華教授團隊介紹一種以聚乙烯醇和殼聚糖為水化骨架，聚吡咯為吸光劑的高度水化吸光水凝膠(h-LAH)，其蒸發水的能耗小于體積水的50%。結果表明，提高h-LAH的水化能力可以改變水的狀態，部分激活水，從而促進水的蒸發。h-LAH將太陽蒸汽的產生率提高到創紀錄的水平，即在1個太陽照射下，太陽能蒸汽的產生提高到約3.6 kg m^-2h^-1。基于h- LAH的太陽能還表現出長期耐用性和對復雜離子污染物的防污功能。相關研究以“Architecting highly hydratable polymer networks to tune the water state for solar water purification”為題目，發表在Science?Advances上。

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DOI: 10.1126/sciadv.aaw5484?

基于h-LAH的SVG示意圖

協同能量納米約束和水激活水凝膠的高效太陽能海水淡化

在太陽能光熱轉換系統中精確控制能量的分配可以提高能源的利用。吸收光的水凝膠提供了一種利用太陽能蒸發水的方法，但是有針對性地提供太陽能來驅動水蒸發過程仍然具有挑戰性。在這里，美國德克薩斯大學奧斯汀分校的余桂華教授團隊報告了一種吸收光的海綿狀水凝膠(LASH)，它是由一種吸收光的納米粒子修飾的聚合物原位凝膠化而成，導致協同能量納米約束和水活化。通過實驗演示和理論模擬，在1個標準太陽光的照射下，氣溶膠隙的蒸汽生成速率高達~ 3.6 kg m^?2?h^?1，并且表現出穩定的長期性能。研究了聚合物-納米顆粒間的能量約束和聚合物-水相互作用所激活的水，以揭示這種效應對高速太陽能蒸汽生成的重要性。LASHs通過太陽能海水淡化，可去除海水中99.9%以上的鹽離子。基本的設計原則、可擴展的制造路線和優越的性能為便攜式太陽能水凈化、工業太陽能水處理和其他先進的太陽能光熱應用提供了可能性。相關研究以“Synergistic Energy Nanoconfinement and Water Activation in Hydrogels for Efficient Solar Water Desalination”為題目，發表在ACS Nano上。

文獻鏈接：

DOI: 10.1021/acsnano.9b02301?

水的活化和能量的限制

納米碳材料的水蒸發誘導電

水蒸發是一種普遍存在的從周圍環境中獲取熱能的自然過程。它已經在許多應用中得到了應用，包括納米結構的合成和能源收獲裝置的發明。在這里，華中科技大學的周軍教授聯合南京航空航天大學的郭萬林院士等人證明了從各種納米碳材料表面蒸發出來的水可以用來發電。研究發現厘米大小的碳黑片的蒸發能在環境條件下可靠地產生高達1v的持續電壓。水分子與碳層之間的相互作用，以及多孔碳板中蒸發誘導的水流被認為是電壓產生的關鍵。這種發電方法與傳統的流動電勢有關，依賴于驅動離子溶液通過窄間隙從而使其兩側產生電位差。但由于它利用了蒸發的自然過程，并使用廉價的炭黑，它可以在開發實用設備方面提供優勢。相關研究以“Water-evaporation-induced electricity with nanostructured carbon materials”為題目，發表在Nature?Nanotechnology上。

文獻鏈接：

DOI: 10.1038/NNANO.2016.300

實驗裝置示意圖、微觀結構原理及誘導生電

總之，通過一個獨立的蒸發面、合理的補水結構、適當的表面潤濕性和形貌設計，可以優化水分子管理，實現高效的太陽能水蒸發的轉換。在未來的工作中，材料的結構設計將繼續作為強大的工具，以改善太陽能蒸發器的潛在熱回收，熱損失最小化和緊湊化的實際使用。同時，需要開發集廢水收集、太陽能收集、水凈化、清潔水輸送和水質監測等功能為一體的綜合系統，以實現實際的太陽能清潔水生產。

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