這篇nature子刊，為這兩項綠色技術制定行業標準

【背景介紹】

綠色、低碳的太陽能清潔水生產技術對于全球水資源的可持續與緩解水資源危機具有重要的戰略意義。其中，具有代表性的太陽能光熱界面蒸發技術與基于空氣水分吸附的大氣集水技術近年來獲得了巨大的國際關注度，并取得了一系列顯著進展。然而，已有文獻對以上兩項新興技術的實驗測試與數據報道仍存在著較大的誤區與分歧，因此亟需明確針對上述兩種技術的標準化測試與性能評估的行業標準。

鑒于此，新加坡國立大學Tan Swee Ching教授等人于近日在Nature Sustainability上發表了題為“Best practices for solar water production technologies”的評論文章，該工作系統剖析了存在于太陽能光熱蒸發技術與吸附式大氣集水技術測試、表征與報道過程中的問題與誤區，提出并詳細討論了應對上述問題的標準化測試與性能評估的最佳實踐方案，為相關測試制定了行業規范和標準，為基于上述兩種策略的太陽能水生產技術的發展提供了新的思路。

這次，我們邀請到了該成果的兩位作者張垚鑫博士與Prof. Tan來對這項成果進行專訪。

首先，當我們問起是什么讓二位老師把目光聚集在了為（太陽能光熱界面蒸發技術與基于空氣水分吸附的大氣集水）這兩項技術制定行業規范和標準這件事情上來，以及這份工作將會對該行業產生哪些方面的影響，兩位老師分享到：

A：近年來，太陽能光熱界面蒸發技術與基于空氣水分吸附的大氣集水技術迎來了飛速發展，同期有大量的研究論文發表。我們課題組（課題組鏈接：http://www.dmse.nus.edu.sg/SweeChingGroup/index.html?S=293002018.24873716）從早期便開始了對上述兩項技術的并行研究，有幸見證了領域的蓬勃發展，并取得了一系列國際認可的學術成果。然而，我們也注意到，已發表的論文對于材料與器件的測試、表征以及數據的報道存在著不同程度的問題與不一致之處，因此準確評估每一項工作的科學價值與現實意義變得越發困難。對于新興領域來說，這些誤區與矛盾點是其研究歷程中必然會遇到的。因此，為了推進以上兩項技術的進一步的成熟發展，我們認為對這兩項技術制定行業規范和標準是極為必要的。在此，我們感謝Nature?Sustainability提供的絕佳的平臺與邀稿機會，使我們可以對上述問題展開詳細的討論并制定相應的規范標準。這項工作旨在為領域內的科研工作者提供一份用于實驗測試與論文報道的指導建議，明確“測什么”與“如何測”的問題。我們相信這不僅可以幫助同行乃至期刊對發表工作的創新點與性能進行合理客觀的評估比較，還可以幫助我們更清晰地理解以上兩項技術的發展瓶頸與研究關鍵點，同時為未來該技術的落地應用提供有力參考。

【內容簡析】

針對于太陽能光熱界面蒸發技術：文章首先強調了可穩定、均勻輸出AM 1.5模擬太陽光的重要性。為了抑制額外的、來自光源與環境熱量的輸入，作者推薦掩模版在光照測試中的使用，并進一步建議對光熱蒸發器進行必要的測試前的封裝，以減少非曝光區域與空氣間的熱質交換。無風環境對于測試數據的有效性與可比性具有至關重要的作用。為盡可能稀釋上述因素的干擾并保持測試數據的準確性，文章建議使用大尺寸的樣品進行光照蒸發的測試。此外，作者后續強調了模擬工具在保障與驗證測試方法的合理效度方面的重要性。

在光熱蒸發領域，一個最具代表性的性能參數是蒸發速率，然而這一參數無法真實反映單位面積和時間下所使用蒸發器的產水量。這是因為蒸發速率是由觀測體系質量的減少（mass loss）測得，忽視了系統的冷凝過程，而真正具有現實意義的產水能力，即水收集速率，應該測試質量的增加（mass gains）。在文章中，作者著重強調了報道水收集速率的重要性，并詳細探討了近期可實現高效光熱蒸發冷凝的參考策略。

除鹽離子濃度外，文章指出有機與微生物檢測也是完備的水質檢測過程中必不可少的環節，同樣應該受到學界的重視。作者進一步制定了微納結構下光熱界面蒸發焓的調節機制與評估標準，為明確光熱蒸發機制提供了理論依據。

由此我們知道，開發具有高蒸發速率和出色防污性能的蒸發器在未來還將是界面水蒸發的重點問題，對此兩位老師認為有哪些值得關注的材料或方法？

A：如今很多蒸發器材料都可以實現非常高的太陽能到蒸氣的轉化效率，進一步提高蒸發速率推進了近期低蒸發焓材料的研究與發展，其中多孔的碳基材料與水凝膠材料依舊會是未來的研究重點。蒸發器的防污染性能，尤其是耐鹽性能，也是這個領域另一個受到重點關注的問題。熱質輸運平衡是我們需要面對的核心問題。需要注意的是，在實現耐鹽效果的同時不應以犧牲能量效率為代價。主要的耐鹽結構包括被動式的強化擴散結構與Janus結構等。此外，我們課題組在前不久提出了一種流動式的蒸發結構（1.?Energy Environ. Sci., 2020, 13, 4891-4902;?2. ACS Energy Lett. 2020, 5, 11, 3397–3404），即通過單向引導水流穿過蒸發器材料，可以有效避免鹽分與水體微生物在蒸發器表面的聚集積累。另外值得注意的是，這種單向流光熱蒸發結構幾乎適用于所有的平面二維蒸發器，并同時可以兼容多級太陽能蒸發裝置，解決其中的鹽污染問題。

圖1. a.太陽能光熱界面蒸發技術與b.吸附式大氣集水技術的工作原理示意圖。

針對于太陽能驅動的吸附式大氣集水技術：文章首先強調了全濕度等溫吸附測試的重要性，并著重推薦了0-20%濕度區間的探索，因為闡明低濕度下的吸附行為可以更好地幫助理解固氣交互過程與吸附位點的取向問題，并益于指導適用于干旱氣候的高性能吸附劑材料的設計。作者同時推薦了多溫度的等溫吸附測試與多壓力的等壓脫附測試，用以模擬并預測大氣集水材料在不同工況下的運行特性。值得注意的是，文章指出大氣水吸附與脫附動力學更適合采用大尺寸器件進行實驗評估，而不建議使用顆粒、粉末等小尺寸樣品進行測試，因為前者可以較為真實的還原現實運行場景中材料內部的熱質傳遞情形。

另一個阻礙大氣集水領域不同材料之間比較的現狀是，文獻往往采用不同的核心性能參數進行選擇性進行報道，矛盾點主要在于質量產率（litre/kg·day）與面積產率（litre/m²·day）。文章作者認為，以上兩個參數對于大氣集水材料的評估都具有重要的參考價值，值得同時報道，因為同時實現高的質量產率與面積產率至關重要，這是由于，在未來理想的大氣集水材料/裝置應同時具備小型化、輕便、高產水率的特點。

此外，受限于不同的工作模式與循環次數，大氣集水材料與裝置的日產水率難以準確比較。鑒于此，作者建議對吸附劑材料的脫附能量需求進行定量評估，即報道吸附劑材料在單位能量輸入下的產水量（specific water yield: litre/kWh）。在總日射量一定的情況下，可以有效預估不同材料的產水率極限，從而擺脫不同工作模式與循環條件的限制。

太陽能驅動的清潔水生產技術本身具有綠色可持續的優勢，所以其應用階段的可持續性很大限度上由材料本身所決定。然而制備千克級別的、具備擴大化潛力的高性能材料依舊是一個重大挑戰，因此文章在最后強調了報道成本分析與合成制備過程的重要性與現實意義。

兩位老師在海水淡化、可穿戴電子設備、綠色能源轉換和存儲方向都有不錯的成果。而這些領域是如何建立起來的聯系，未來他們的工作重心又會放在何處？兩位老師是這樣回答的：

A：綠色能源與水一直是我們課題組開展研究過程中的兩個關鍵詞，課題組所涉及的領域也都可以由這兩個關鍵詞有機串聯起來。在未來，課題組依舊會圍繞以上兩個核心點開展研究工作。太陽能驅動的清潔水生產技術依舊是我們關注的重點，并會進一步嘗試拓展、延申光熱界面蒸發與吸濕材料在多學科的、交叉領域的基礎與應用研究，例如，我們近期研發了一種高度吸濕的水凝膠材料并詳細探討了其在都市農業中的應用前景（Adv. Mater. 2020, 32, 2002936.）。

最后，究竟太陽能水生產技術會對我們的生活產生什么樣影響？想要實現大規模產業化，未來又還有哪些難關要攻克？談到這里，兩位老師和我們分享：

A：太陽能水生產技術為我們的生產生活提供了一種去中心化的、低基礎設施依賴的清潔水生產方案，同時這項技術兼具綠色、低碳、可持續的優勢，非常契合國家未來的發展方向與戰略。在大規模產業化的過程中，材料成本是一個我們無法忽略的問題。我們在評論文章中也提到，千克級活性材料的制備依舊是上述兩項技術規模化應用的首要挑戰。我們還應額外注意材料與裝置擴大化過程中帶來的局限性問題，例如，低維的水傳輸可以保障小尺寸光熱蒸發器的高效率與耐鹽性能，然而在等比例擴大以后，相同的水傳輸策略恐怕難以保證材料遠端的水供給并進而會造成表面的鹽污染問題。我們還在評論文章中提到，蒸發速率與高吸附容量并不能簡單與最終的產水量劃等號，因為蒸氣的冷凝過程在文獻的報道中往往被忽視，因此，高效的冷凝結構將會是接下來我們關注的焦點之一。此外，大規模裝置往往會更容易引入有機與微生物污染，嚴密的水質檢測辦法也應該是我們需要考慮另一個重要議題。

文獻鏈接：Yaoxin Zhang, Swee Ching Tan^*, Best practices for solar water production technologies, 2022, Nature Sustainability. DOI:?https://doi.org/10.1038/s41893-022-00880-1?