AFM|通過交替溫度陣列設計實現太陽能蒸發中效率與面積的解耦及其用于濕度調控

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研究背景

隨著全球經濟的快速發展和人口的持續增長，淡水資源需求不斷攀升，然而地球可直接利用的淡水資源不足總量的1%，超過四分之一的人口正面臨不同程度的缺水危機，這使得高效海水淡化技術的開發成為緩解全球水資源短缺的關鍵戰略。研究者們通過仿生結構設計、光吸收增強、水傳輸路徑優化以及蒸發焓降低等策略，已成功實現小面積蒸發器在標準太陽光照下蒸發速率超過4.0 kg m?2 h?1的優異性能。與此同時，光熱材料的選擇同樣至關重要，其中木質素作為地球上最豐富的芳香族生物聚合物，憑借其寬帶光吸收、可調化學功能以及天然親水性等優勢，成為構建可持續太陽能蒸發器的理想候選材料。

基于以上背景，本研究旨在深入揭示大面積蒸發器性能下降的內在機制，并開發一種兼具高效率和可規模化的新型蒸發器結構設計，同時采用可再生木質素作為光熱材料，為實現太陽能海水淡化技術的實際應用提供理論指導和可行方案。

相關工作以Decoupling Efficiency and Scale in Solar Evaporation by Alternating-Temperature Array Design for Humidity Regulation為題發表在《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》(JCR一區，中科院一區TOP，IF=18.5)上。

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研究內容

本研究聚焦于太陽能界面蒸發技術在實際應用中面臨的核心瓶頸-大面積蒸發器效率顯著衰減問題。通過數值模擬，研究首次系統揭示其根源在于非均勻水蒸氣對流導致蒸發器中心區域形成高濕度“死區”，且隨面積增大而加劇。針對這一機制，研究創新性地提出交替溫度陣列設計，將蒸發面分割為小單元陣列并在間隔中引入疏水光熱材料，利用光照下的溫差驅動強制對流，成功將高濕空氣從蒸發區“驅離”至高溫區，從而解除濕度抑制效應。在材料層面，研究開發了以可再生木質素為前驅體的碳納米球（CNSs），通過簡易硫酸處理實現規模化制備，其與海藻酸鈉復合后光吸收率達94.94%，并因中間水比例高而顯著降低蒸發焓至1120.6 J g?1。實驗結果表明，交替溫度陣列蒸發器在標準太陽光照下蒸發率達2.97 kg m?2 h?1，較非陣列提升237.6%；室外實測中正午產水率達2.73 kg m?2 h?1，收集淡水符合WHO飲用水標準。本研究不僅從理論層面深化了對界面蒸發過程中濕度與對流耦合機制的理解，更從工程層面提供了一種兼具低成本、可規模化、高性能特點的大面積蒸發器構建策略，為太陽能海水淡化技術的實際應用開辟了新路徑。

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研究數據

圖1.(a) CNSs制備過程示意圖。(b) CNSs分散液的數碼照片。(c) 木質素的SEM圖像。(d) CNSs的TEM圖像。(e,f) CNSs表面的SEM圖像。(g) CNSs側面的SEM圖像。插圖為CNSs的直徑分布直方圖。

圖2.(a) CNSs-SA蒸發器制備流程圖。(b) CNSs-SA水凝膠膜的表面SEM圖像。(c) CNSs-SA水凝膠膜的橫截面SEM圖像。(d) 太陽能驅動水蒸發實驗裝置示意圖。(e) 去離子水和CNSs-SA蒸發器在1 sun照射下（去離子水/真實海水）及黑暗條件下（去離子水）的水蒸發速率。(f) CNSs-SA蒸發器在真實海水中24 h連續1 sun照射下的水蒸發速率，插圖為連續運行24 h前后其表面的照片。

圖3.(a) 不同邊長方形CNSs-SA界面蒸發器的凈水蒸發速率；(b) 2 cm邊長方形太陽能界面蒸發器在1 sun照射下水蒸氣對流的計算模擬；(c) 2 cm邊長太陽能界面蒸發器在1 sun照射下濕度變化的計算模擬；(d) 太陽能界面蒸發器從邊緣到中心蒸發速率變化的計算模擬；(e) 不同邊長方形太陽能界面蒸發器水蒸氣對流的計算模擬；(f) 不同邊長方形太陽能界面蒸發器濕度分布的計算模擬；(g) 不同邊長方形太陽能界面蒸發器中蒸發速率與距邊緣距離關系的計算模擬；(h) 不同邊長方形太陽能界面蒸發器平均蒸發速率的計算模擬。

圖4.(a) 1 cm × 1 cm光吸收材料間距分別為2、1、0.5和0.2 cm的太陽能界面蒸發器陣列模型的計算模擬；(b) 太陽能界面蒸發器陣列水蒸氣對流的計算模擬；(c) 太陽能界面蒸發器陣列濕度分布的計算模擬；(d) 各太陽能界面蒸發器陣列水蒸發速率的計算模擬；(e) 太陽能界面蒸發器陣列平均水蒸發速率的計算模擬；(f) 光吸收材料間距為2、1、0.5和0.2 cm的太陽能界面蒸發器陣列的平均水蒸發速率。

圖5.(a) 太陽能界面蒸發器中水蒸氣對流的計算模擬：(a1) 普通陣列，(a2) 交替溫度陣列；(b) 太陽能界面蒸發器交替溫度陣列中濕度分布的計算模擬；(c) 太陽能界面蒸發器交替溫度陣列中水蒸發速率的計算模擬；(d) 太陽能界面蒸發器交替溫度陣列平均水蒸發速率的計算模擬。

圖6.太陽能界面蒸發器的構建方法與性能表征。(a) 5單元×5單元普通陣列型和5單元×5單元交替溫度陣列型太陽能界面蒸發器的制備示意圖和照片。三種太陽能界面蒸發器的紅外熱像圖（上）及其對應溫度分布曲線（下）：(b) 7 cm × 7 cm非陣列型，(c) 5單元×5單元普通陣列型，(d) 5單元×5單元交替溫度陣列型。(e) 三種太陽能界面蒸發器在1 sun照射下平均凈水蒸發速率（扣除暗蒸發速率后）的比較。(f) 戶外測試設備照片。(g) 戶外測試中三種太陽能界面蒸發器的產水速率。

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研究結論

本研究通過數值模擬與實驗驗證，首次揭示了大面積太陽能蒸發器性能衰減的核心機制：非均勻水蒸氣對流導致中心區域形成高濕度“死區”，且隨面積增大而加劇。針對此問題，創新提出交替溫度陣列設計——將蒸發面分割為小單元陣列，并在間隔中引入疏水光熱材料，利用光照下的溫差驅動強制對流，將高濕空氣從蒸發區“驅離”至高溫區，從而有效解除濕度抑制。

基于此策略，采用低成本、可規模化的木質素基碳納米球（CNSs）構建蒸發器，其復合膜光吸收率達94.94%，因中間水比例高而顯著降低蒸發焓（1120.6 J g?1）。實驗結果顯示，交替溫度陣列蒸發器在標準太陽光照下蒸發率達2.97 kg m?2 h?1，較非陣列提升237.6%；室外實測中，正午產水率達2.73 kg m?2 h?1，收集淡水符合WHO飲用水標準。本研究不僅提供了高性價比、可規模化的大面積蒸發器制備方案，更將研究視角從材料優化拓展至界面濕度與對流調控的系統工程層面，為太陽能海水淡化的實際應用奠定了重要基礎。

DOI:10.1002/adfm.202529156

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