Nature Energy综述：太阳能驱动的界面蒸发

【前言】

太阳能热技术是获取太阳能用于加热和储能应用的直接方式。太阳能热技术的一种实施方式，即太阳能驱动蒸发，涉及在低于沸腾温度的温度下产生蒸汽，以及在沸腾温度或高于沸腾温度下产生蒸汽。作为一种基本的热过程，太阳能驱动的蒸发在推动全球各种应用中发挥着无处不在的作用，自古以来，人类就使用它来产生清洁的水。在现代社会中，它也被用来驱动许多重要的工业过程，如发电和蒸汽消毒。迄今为止，太阳能热能在许多应用中仍未得到充分利用，这主要是由于与所需的高光学浓度相关的复杂性和高成本。此外，尽管太阳能驱动的蒸发在自然环境中普遍存在，但利用和转换蒸发过程中的能量的研究很少。

在没有光聚集的太阳能驱动蒸发系统中，例如太阳能蒸馏器，热量在接收器表面产生，而蒸汽在系统的其他地方产生。这种热量和蒸汽产生的分离导致较大的热质量和从热量产生到蒸发表面的不必要的温度下降，这反过来导致不可避免的热量损失，并导致太阳能蒸馏器中相对较低的蒸发效率为30 - 45 %。为了减少表面热损失，使用光学纳米流太阳能吸收方法已经被证明是通过将热产生移动到流体内部来实现的。体积加热策略仅实现了适度的蒸发效率提高，因为它们不是专门为蒸发应用设计的，在蒸发应用中需要高表面温度20。此外，纳米流体在长期强太阳辐射下的强分散和泵送仍然具有挑战性。近年来，科学家提出了一种界面蒸发方法来改善液体表面的热定位，并在降低光学浓度的情况下成功地实现了约90 %的蒸发效率。这种方法选择性地加热水的蒸发部分，而不是整个水体。这种太阳能驱动的界面蒸发避免了体积加热，最小化了光热材料的使用量，并提供了动态调整蒸发性能的额外方式，包括蒸发蒸汽流量和蒸汽温度。由于这些优势，太阳能界面蒸发有可能扩大太阳能热技术在密集、独立和便携式系统中的应用。

【成果简介】

作为一种无处不在的太阳能-热能转换过程，太阳能驱动蒸发因其太阳能转换效率高和转换工业潜力大而引起了巨大的研究关注。近年来，通过将太阳能-热能转化为空气/液体界面的局域化，太阳能驱动的界面蒸发被认为是传统的基于整体加热蒸发的一种有前景的替代方案，有可能减少热损失并提高能量转化效率。近日，来自南京大学朱嘉教授，美国麻省理工学院的陈刚教授以及上海交通大学的邓涛教授（共同通讯）联合在Nature Energy上发表综述文章，题为“Solar-driven interfacial evaporation”。在这篇综述中，作者讨论了实现高性能蒸发的关键部件的发展，包括太阳能吸收器、蒸发结构、绝热体和热集中器，并讨论了它们如何改善太阳能驱动的界面蒸发系统的性能。作者描述了将这种高效的太阳能驱动界面蒸发工艺应用于能量转换应用的可能性。还讨论了太阳能驱动界面蒸发过程的基础研究和实际应用中令人兴奋的机遇和挑战。

【图文导读】

图1.通过各种形式的太能你加热进行的太阳能驱动蒸发

a、基于底部加热的蒸发，其中太阳能被太阳能吸收器吸收并转换成热能，以从底部加热液体。

B、基于体积加热的蒸发，其中均匀分散的太阳能吸收器将入射的太阳能光子转换成热能以加热液体。

c、基于界面加热的蒸发，其中太阳热转换和加热位于空气-液体界面。

图2. 光吸收器用于光驱动界面蒸发

a, 石墨烯太阳能热转换的工作原理，一种碳基太阳能吸收器。

b, 碳基太阳能吸收器的太阳辐照光谱和代表性吸收光谱。

c, 等离子体基太阳能吸收器光热转换原理示意图。

d, 基于等离子体激元的太阳能吸收器的代表性吸收光谱包括等离子体激元NP分散体(蓝线)、纸支撑的自组装等离子体激元NP膜(红线)和AAO模板化等离子体激元NP膜(紫色线)。

e, 光谱选择性太阳能吸收器的示意结构。

f, 黑体吸收器和光谱选择性吸收器在100℃下辐射热损失的比较。

图3. 光驱动界面蒸发结构

a, 多孔浮动结构示意图，该结构将太阳能热加热定位在界面处。

b, 自清洁超疏水蒸发表面示意图。

c,d, 示意图显示了表面润湿性对太阳能驱动界面蒸发性能的影响:亲水底层(c)和用氟硅烷表面改性的疏水底层(d)。

图4. 太阳能驱动界面蒸发系统的渐进隔热设计

a, 单层浮动蒸发结构。

b, 由浮动多孔绝热体支撑的双层蒸发结构。

c, 双层蒸发结构，由封闭的绝热体支撑，以抑制向下的热损失。

d, 通过使用选择性太阳能吸收器和透明气泡翘曲盖，减少了来自顶部太阳能热表面的辐射和对流热损失。

图5. 不同光驱动界面蒸发系统的蒸发效率

不同太阳能驱动界面蒸发系统中蒸发效率与太阳能照明功率密度的关系比较。

图6. 热浓度下太阳能驱动的界面蒸发

a, 环境压力下通过热浓缩在100℃下产生蒸汽的示意图。

b, 蒸发效率和蒸汽温度取决于热浓度。

图7. 太阳能驱动的界面蒸发能够实现典型的能量转换应用

a, 在真空室内快速蒸汽输送驱动的太阳能热能收集。太阳能加热区的快速液体-蒸汽蒸发和放热区的蒸汽-液体冷凝使得太阳能-热能的有效热传递能够用于远离热源的加热应用。

b, 蒸发驱动发电示意图。太阳能驱动的盐水界面蒸发产生盐度梯度，钠离子(粉红色点)扩散穿过膜产生电能。

c, 机械能收集示意图。

d, 太阳能化学燃料生产示意图。在催化剂的帮助下，二氧化碳和水蒸气被转化为碳氢化合物燃料。

【总结】

在过去的几年里，通过不同学科的共同努力，太阳能驱动的界面蒸发得到了广泛的研究。虽然太阳能驱动的界面蒸发和提高太阳能-蒸汽能量转换效率的优势已经得到了清楚的展示，但是还需要进一步的基础研究来优化界面处太阳能转换、能量传输、质量传输和蒸汽扩散动力学的耦合，以便能够更深入地理解所涉及的过程，从而获得更好的性能。一个例子是实现最大化的太阳能-蒸汽转换效率，而与太阳能浓度无关。为了实现高能量转换效率，需要进一步减少所探索的蒸发系统中来自高辐射率水的高辐射热损失。为此，有必要系统研究太阳能吸收器、蒸发结构和绝热体的微/纳米结构设计和表面化学对动态蒸发行为和平衡蒸发性能的影响。开发新的智能蒸发系统，可以在需要的时候运行，并且可以自动调节蒸发速率、蒸汽温度和蒸汽扩散方向，这可以将它们的应用扩展到其他领域。在这方面，自然生物系统对蒸腾过程的智能调节可以提供充足的灵感。

有利的界面太阳能驱动蒸发使得太阳能蒸汽产生与其他工业过程相结合，探索太阳能的多功能用途。为了扩大这一跨学科领域的机会，需要对局部加热、流体流动和蒸汽流动如何影响蒸发辅助系统(如光催化水净化系统)的增强性能进行定量分析和机械理解。还应开发能够同时将太阳辐射转化为热量和催化化学反应的其他太阳能吸收器，例如最近报道的黑色TiO₂纳米笼、TiO_x NPs和Ti₂O₃ NPs。另一个重要的研究课题是探索新的策略，将高效的太阳能驱动界面蒸发与其他太阳能热或太阳能化学工艺相结合，用于全太阳能化学合成、材料制造和工业加工，如蒸馏和灭菌。对于那些对太阳光子分布敏感的过程，光谱分裂技术和光纤光导技术，其他太阳能采集领域中使用的技术可以被引入多功能太阳能驱动蒸发系统，将太阳能-热能储存技术集成到界面蒸发系统中，有助于解决气候相关的太阳辐射间歇性问题。

为实际应用实施太阳能驱动的界面蒸发工艺将需要在材料和系统层面进行进一步的研究和开发，特别是考虑到商业规模的可制造性。应该选用市场上可买到的、可以低成本生产的坚固、轻质、廉价、高效的太阳能热转换材料、供水材料和浮动绝缘材料。成功的脱盐和盐度发电技术需要防止盐沉积和污染问题，这些问题可能会阻碍设备运行。同样，实际的蒸发能能量收集需要漂浮蒸发结构在太阳辐射和水浸下的长期稳定性。从化学到生物，各种来源的污染影响也需要进一步研究。在系统层面，将太阳能驱动的界面蒸发系统与商用太阳能热系统集成起来，直接驱动热循环或热化学循环用于离网化学生产，将是有价值的。虽然还需要进一步的研究和开发，但局部蒸发设计的内在优势意味着，太阳能驱动的界面蒸发不仅会加速太阳能的收集和利用，还会激发目前不被太阳能驱动的其他能源过程的新设计。

文献链接：Solar-driven interfacial evaporation, (Nature Energy, 2018, DOI: 10.1038/s41560-018-0260-7)

本文由材料人编辑部纳米组Z,Chen供稿，材料牛整理编辑。

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