不生产水，我们只是它的搬运工｜谈几点太阳能水蒸发技术

太阳能水蒸发技术：利用太阳能从液态水中提取水蒸气，为发展环保和经济有效的淡水生产提供了基础。

由于液态水相变消耗能量，这在太阳能水蒸发过程中起着至关重要的作用。因此，广泛的实验和理论研究集中在水资源管理，以实现高效的太阳能蒸汽生产。另外，

许多创新材料已被提出，以实现高度可控和高效的太阳能到热能的转换，以解决从微观到分子水平的能量-水关系的挑战。

下面从近期经典研究进展中，谈三点太阳能水蒸发技术的那点事。一起来看如何开发高效太阳能蒸汽发生器，如何使材料能够影响水的加热、传递和相变行为的设计原则，如何协同改进SVG过程。

一、太阳能光热调控

全光谱利用的水电协同联产器件

能源和清洁水是人类文明和可持续发展的两个相互交织的基本要素。在这里，南京大学的朱嘉教授、谭海仁教授等人设计了一个串联太阳能电-水发电机，利用太阳能辐射的全光谱协同发电和清洁水。串联发电机有两个组成部分:顶部的红外透明光伏装置产生绿色电能，底部的太阳能净水系统淡化海水/处理污水。在顶部电池和底部纯化系统中设计的防水传热连接层(WTIL)使这两个组件协同工作；底部的水净化系统可作为蒸发冷却器给顶部电池降温，提高光电转化效率；而顶部电池的热化热也可被底部水净化系统利用，进一步用于水淡化过程。基于此，这一水电联产器件可同时输出电能 （204 W m^-2）和净化水（ 0.8 kg m^-2 h^-1）, 从而达到74.6%的总太阳能利用率。这一设计既为便携式的水电联产需求提供了一种解决办法，也有望被运用在大型的水电协同生产中。相关研究以“Synergistic Tandem Solar Electricity-Water Generators”为题目，发表在Joule上。

文献链接：

DOI: 10.1016/j.joule.2019.12.010

全光谱利用水电协同联产器件

利用分层纳米结构凝胶实现高效太阳能水蒸发 

太阳能水蒸发是一种有效的方式来收集太阳能净化污染水或盐水。然而，水蒸发要么是太阳能利用效率低，要么是依赖复杂而昂贵的光集中附件。在这里，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华教授联合科罗拉多大学大学杨荣贵教授、北京理工大学曲良体教授等人演示了一种基于聚乙烯醇(PVA)和聚吡咯(PPy)的分层纳米结构凝胶(HNG)，它作为一个独立的太阳能蒸汽发生器。转换后的能量可以就地利用，来驱动PVA网络的分子网格中包含的水的蒸发，水凝胶的骨架可以促进水分的蒸。漂浮的HNG样品可以利用一个标准太阳照射的94%的能量实现3.2 kg m⁻² h⁻¹的蒸发量，在净化盐水中时每天每平方米HNG可以蒸发纯化18-23升盐水。这些值的实现是因为在太阳光照射下，分子网格中水蒸发的潜热大幅降低。相关研究以“Highly efficient solar vapour generation via hierarchically nanostructured gels”为题目，发表在Nature Nanotechnology上。

文献链接：

DOI: 10.1038/s41565-018-0097-z

基于HNG的高效太阳能蒸发水原理图

全向跟踪和捕获光的人工向光性

人们开发了多种具有刺激响应性的材料，这些材料可以在光，电场，磁场，pH或温度变化下，完成多种响应性形变或运动。然而，这些运动的方向大多不具有由环境刺激信号决定的方向性。在这里，加州大学洛杉矶分校的贺曦敏教授团队报告了一个基于纳米结构的刺激响应聚合物的人工向光性系统，该系统可以在一个宽广的温度范围内瞄准并对准三维入射光的方向。这种自适应的重新配置是通过一个内置的反馈回路来实现的，该回路植根于材料的光热和机械性能。该系统被称为太阳花状仿生全向跟踪器(SunBOT)。研究展示了一组太阳机器人，可以用于太阳能蒸汽产生设备。由于增强了非取向材料在倾斜情况下的照明角度，它实现了高达400%的太阳能收集。太阳机器人背后的原理是通用的，可以扩展到许多响应材料和广泛的刺激范围。相关研究以“Artificial phototropism for omnidirectional tracking and harvesting of light”为题目，发表在Nature Nanotechnology上。

文献链接：

DOI: 10.1038/s41565-019-0562-3

太阳机器人的设计和机制

MOF基层次结构用于太阳能水蒸发产水

太阳能蒸发作为一种很有前途的清洁水生产方法，越来越受到人们的重视。然而，太阳能水蒸发器同时具有较高的水蒸气生成能力和抗油污染能力的研究尚未见报道。在此，新加坡南洋理工大学张华教授团队合理地设计和制备了一种独特的以MOF为基础的分层结构(MHS)，该结构同时具有较高的太阳吸收率和超亲水性及水下超疏油表面性能。作为概念验证的应用，由MHS制备的设备在1个太阳光照条件下可获得1.5 kg m⁻² h⁻¹的高太阳热水蒸发率。更重要的是，MHS还具有优异的防油污性能，即使在含油污水中也能保证其优异的蒸发性能。MHS具有较高的太阳热蒸发率和抗油垢性能，是一种很有前途的太阳能热水生产材料。相关研究以“MOF-Based Hierarchical Structures for Solar-Thermal Clean Water Production”为题目，发表在Advanced Materials上。

文献链接：

DOI: 10.1002/adma.201808249

MHS的太阳能吸收特性

二、蒸发器内的水传递

酚醛树脂作为高效太阳能蒸发的双层光热材料

太阳能蒸汽发电已经成为利用太阳能进行海水淡化和污水处理的高效绿色技术之一。在此，兰州理工大学的李安教授、梁卫东教授证明了一种简单易行的方法，可大规模制造酚醛泡沫(PAFs)，它是由甲醛与苯酚和对苯二酚通过一步水热法聚合合成的，是一种用于高效太阳能蒸汽发电的双层光热材料。得到的PAFs孔隙率高于93.6%，表观密度低(0.152-0.167 g cm^-3)，导热系数低(0.034-0.054 W m^-1 k^-1)，机械强度好(30%应变下为0.07 MPa)。紧密堆积的开放水道的存在，结合其表面的超亲水性(水接触角~0^o)，保证了PAFs水分子的快速运输。在PAFs表面涂覆一层碳烟灰后，制备了一种具有增强光吸收能力(~90%)的双层光热材料(CPAFs)。在1个太阳照射下，CPAFs的蒸发量为1.4922 kg m^-2 h^-1，太阳能转换效率为87.86%，是高效太阳能脱盐的理想太阳能发电装置。结合其简单、可扩展、低成本的制造工艺，表明该CPAFs具有巨大的实际应用潜力。相关研究以“Superhydrophilic and mechanically robustphenolic resin as double layered photothermal materials for efficient solarsteam generation”为题目，发表在 Materials Today Energy上。

文献链接：DOI: 10.1016/j.mtener.2019.100375

CPAFs的制备示意图、光吸收曲线及CPAFs太阳能光热转化示意图。

界面光热增强的大气取水器

从空气中获取水是一种很有前途的淡水生产战略，对于缺乏直接获得清洁水的地区尤其可取。高浓度液体吸附剂以高吸附性著称，但由于其解吸困难，尚未广泛应用于大气水的收集。南京大学朱嘉教授团队将高效界面光热技术应用到空气取水器中，界面光热增强的空气取水器件，提升了液态吸收材料的脱附效率，同时通过材料设计解决了高浓盐水中吸收体结盐的问题。基于抗盐氧化石墨烯的气凝胶的界面太阳能蒸发技术被证明能够使基于高浓度液体吸收剂(CaCl₂ 50 wt%)的大气水发生器工作。在相对湿度为70%左右的条件下，可实现日产2.89 kg m^-2水量（相对应的脱附效率可达66.9%）。这种低成本和有效的方法提供了一个有吸引力的途径来从空气中提取水，以缓解干旱、内陆和其他淡水稀缺地区的淡水缺乏。相关研究以“Interfacial solar heating assisted liquid sorbent atmospheric water generator”为题目，发表在Angew. Chem. Int. Ed.上。

文献链接：

DOI: 10.1002/anie.201905229

基于液体吸附剂的界面太阳能辅助大气水发生器(AWG)

植物叶片启发太阳能驱动的高效净水器

天然植物的叶片依靠不同的渗透压、蒸腾和排水来产生大量的清洁水，这些水由阳光提供动力。受此启发，清华大学的Chun Li教授、Hongyun Ma教授等人报告一个太阳光驱动的高效水净化和生产净化器。这款太阳能净化器的特点是采用负温度响应的聚(n -异丙基丙烯酰胺)水凝胶(PN)，固定在超亲水的三聚氰胺泡沫骨架上，并在外面涂上一层PNIPAm改性石墨烯(PG)滤膜。分子动力学模拟和实验结果表明，PNPG-F净化器中相对刚性三聚氰胺骨架的超亲水性明显加快了三聚氰胺的溶胀/脱附速率。在一个太阳照射下，这个合理的工程结构提供了4.2 kg m⁻² h⁻¹的收集，并通过蒸腾和排水的合作，为单独的高盐PNPG-F净化器提供了> 99%的离子排斥，研究设想这样一个高效的太阳能驱动系统可以在不同的水处理中有很大的应用潜力。相关研究以“Plant leaves inspired sunlight-driven purifier for high-efficiency clean water production”为题目，发表在Nature Communications上。

文献链接：

DOI: 10.1038/s41467-019-09535-w

太阳能净水器(PNPG-F)水处理原理图

双层聚合物泡沫用于高效和稳定的太阳能脱盐

太阳能蒸发装置的制造工艺复杂，效率低，耐久性差，且不可重复使用。在此，基于预先压制的三聚氰胺泡沫(MF)，青岛大学的李晨蔚、刘敬权教授等人制造了一个可伸缩的，低成本，耐用的双层聚合物泡沫用于高效和稳定的太阳能蒸汽发电。利用双层结构，不同的功能被分配到不同的层，聚吡咯(PPy)涂层预压MF用于吸收光和蒸发水，底层预压MF层用于输送水和隔热。平均蒸发量高达1.574 kg m⁻² h⁻¹，在1个太阳照射下产生的蒸汽效率高达90.4%。双层泡沫在一系列恶劣条件下表现出显著的鲁棒性和稳定性。双层泡沫塑料在耐久性试验中(30天以上，每天60分钟)保持结构稳定性和蒸发性能，具有长期耐久性、良好的防污性能和良好的重复使用性。两种简单的原型装置在陆地和水中产生太阳能蒸汽的潜在实用性。这种低成本、大规模、耐用的太阳能蒸汽发电装置在自然光照条件下高效、稳定地产生淡水是很有前途的，这对缺乏淡水供应的偏远地区来说尤其具有吸引力。相关研究以“Scalable and robust bilayer polymer foams for highly efcient and stable solar desalination”为题目，发表在Nano Energy上。

文献链接：

DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.03.087

双层泡沫塑料的制备原理图

三、水分子状态的激活

构建高水化聚合物网络，调整水的状态，用于太阳能水净化

太阳能蒸馏法净水是一种很有前途的淡水生产技术。然而，太阳能的蒸汽生产是能源密集型的，导致在自然光照下的水产量很低。因此，开发能够降低水汽化能量需求、加快太阳能水净化的新材料是非常必要的。在此，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华教授团队介绍一种以聚乙烯醇和壳聚糖为水化骨架，聚吡咯为吸光剂的高度水化吸光水凝胶(h-LAH)，其蒸发水的能耗小于体积水的50%。结果表明，提高h-LAH的水化能力可以改变水的状态，部分激活水，从而促进水的蒸发。h-LAH将太阳蒸汽的产生率提高到创纪录的水平，即在1个太阳照射下，太阳能蒸汽的产生提高到约3.6 kg m^-2h^-1。基于h- LAH的太阳能还表现出长期耐用性和对复杂离子污染物的防污功能。相关研究以“Architecting highly hydratable polymer networks to tune the water state for solar water purification”为题目，发表在Science Advances上。

文献链接：

DOI: 10.1126/sciadv.aaw5484 

基于h-LAH的SVG示意图

协同能量纳米约束和水激活水凝胶的高效太阳能海水淡化

在太阳能光热转换系统中精确控制能量的分配可以提高能源的利用。吸收光的水凝胶提供了一种利用太阳能蒸发水的方法，但是有针对性地提供太阳能来驱动水蒸发过程仍然具有挑战性。在这里，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华教授团队报告了一种吸收光的海绵状水凝胶(LASH)，它是由一种吸收光的纳米粒子修饰的聚合物原位凝胶化而成，导致协同能量纳米约束和水活化。通过实验演示和理论模拟，在1个标准太阳光的照射下，气溶胶隙的蒸汽生成速率高达~ 3.6 kg m⁻² h⁻¹，并且表现出稳定的长期性能。研究了聚合物-纳米颗粒间的能量约束和聚合物-水相互作用所激活的水，以揭示这种效应对高速太阳能蒸汽生成的重要性。LASHs通过太阳能海水淡化，可去除海水中99.9%以上的盐离子。基本的设计原则、可扩展的制造路线和优越的性能为便携式太阳能水净化、工业太阳能水处理和其他先进的太阳能光热应用提供了可能性。相关研究以“Synergistic Energy Nanoconfinement and Water Activation in Hydrogels for Efficient Solar Water Desalination”为题目，发表在ACS Nano上。

文献链接：

DOI: 10.1021/acsnano.9b02301 

水的活化和能量的限制

纳米碳材料的水蒸发诱导电

水蒸发是一种普遍存在的从周围环境中获取热能的自然过程。它已经在许多应用中得到了应用，包括纳米结构的合成和能源收获装置的发明。在这里，华中科技大学的周军教授联合南京航空航天大学的郭万林院士等人证明了从各种纳米碳材料表面蒸发出来的水可以用来发电。研究发现厘米大小的碳黑片的蒸发能在环境条件下可靠地产生高达1v的持续电压。水分子与碳层之间的相互作用，以及多孔碳板中蒸发诱导的水流被认为是电压产生的关键。这种发电方法与传统的流动电势有关，依赖于驱动离子溶液通过窄间隙从而使其两侧产生电位差。但由于它利用了蒸发的自然过程，并使用廉价的炭黑，它可以在开发实用设备方面提供优势。相关研究以“Water-evaporation-induced electricity with nanostructured carbon materials”为题目，发表在Nature Nanotechnology上。

文献链接：

DOI: 10.1038/NNANO.2016.300

实验装置示意图、微观结构原理及诱导生电

总之，通过一个独立的蒸发面、合理的补水结构、适当的表面润湿性和形貌设计，可以优化水分子管理，实现高效的太阳能水蒸发的转换。在未来的工作中，材料的结构设计将继续作为强大的工具，以改善太阳能蒸发器的潜在热回收，热损失最小化和紧凑化的实际使用。同时，需要开发集废水收集、太阳能收集、水净化、清洁水输送和水质监测等功能为一体的综合系统，以实现实际的太阳能清洁水生产。

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