这篇nature子刊，为这两项绿色技术制定行业标准

【背景介绍】

绿色、低碳的太阳能清洁水生产技术对于全球水资源的可持续与缓解水资源危机具有重要的战略意义。其中，具有代表性的太阳能光热界面蒸发技术与基于空气水分吸附的大气集水技术近年来获得了巨大的国际关注度，并取得了一系列显著进展。然而，已有文献对以上两项新兴技术的实验测试与数据报道仍存在着较大的误区与分歧，因此亟需明确针对上述两种技术的标准化测试与性能评估的行业标准。

鉴于此，新加坡国立大学Tan Swee Ching教授等人于近日在Nature Sustainability上发表了题为“Best practices for solar water production technologies”的评论文章，该工作系统剖析了存在于太阳能光热蒸发技术与吸附式大气集水技术测试、表征与报道过程中的问题与误区，提出并详细讨论了应对上述问题的标准化测试与性能评估的最佳实践方案，为相关测试制定了行业规范和标准，为基于上述两种策略的太阳能水生产技术的发展提供了新的思路。

这次，我们邀请到了该成果的两位作者张垚鑫博士与Prof. Tan来对这项成果进行专访。

首先，当我们问起是什么让二位老师把目光聚集在了为（太阳能光热界面蒸发技术与基于空气水分吸附的大气集水）这两项技术制定行业规范和标准这件事情上来，以及这份工作将会对该行业产生哪些方面的影响，两位老师分享到：

A：近年来，太阳能光热界面蒸发技术与基于空气水分吸附的大气集水技术迎来了飞速发展，同期有大量的研究论文发表。我们课题组（课题组链接：http://www.dmse.nus.edu.sg/SweeChingGroup/index.html?S=293002018.24873716）从早期便开始了对上述两项技术的并行研究，有幸见证了领域的蓬勃发展，并取得了一系列国际认可的学术成果。然而，我们也注意到，已发表的论文对于材料与器件的测试、表征以及数据的报道存在着不同程度的问题与不一致之处，因此准确评估每一项工作的科学价值与现实意义变得越发困难。对于新兴领域来说，这些误区与矛盾点是其研究历程中必然会遇到的。因此，为了推进以上两项技术的进一步的成熟发展，我们认为对这两项技术制定行业规范和标准是极为必要的。在此，我们感谢Nature Sustainability提供的绝佳的平台与邀稿机会，使我们可以对上述问题展开详细的讨论并制定相应的规范标准。这项工作旨在为领域内的科研工作者提供一份用于实验测试与论文报道的指导建议，明确“测什么”与“如何测”的问题。我们相信这不仅可以帮助同行乃至期刊对发表工作的创新点与性能进行合理客观的评估比较，还可以帮助我们更清晰地理解以上两项技术的发展瓶颈与研究关键点，同时为未来该技术的落地应用提供有力参考。

【内容简析】

针对于太阳能光热界面蒸发技术：文章首先强调了可稳定、均匀输出AM 1.5模拟太阳光的重要性。为了抑制额外的、来自光源与环境热量的输入，作者推荐掩模版在光照测试中的使用，并进一步建议对光热蒸发器进行必要的测试前的封装，以减少非曝光区域与空气间的热质交换。无风环境对于测试数据的有效性与可比性具有至关重要的作用。为尽可能稀释上述因素的干扰并保持测试数据的准确性，文章建议使用大尺寸的样品进行光照蒸发的测试。此外，作者后续强调了模拟工具在保障与验证测试方法的合理效度方面的重要性。

在光热蒸发领域，一个最具代表性的性能参数是蒸发速率，然而这一参数无法真实反映单位面积和时间下所使用蒸发器的产水量。这是因为蒸发速率是由观测体系质量的减少（mass loss）测得，忽视了系统的冷凝过程，而真正具有现实意义的产水能力，即水收集速率，应该测试质量的增加（mass gains）。在文章中，作者着重强调了报道水收集速率的重要性，并详细探讨了近期可实现高效光热蒸发冷凝的参考策略。

除盐离子浓度外，文章指出有机与微生物检测也是完备的水质检测过程中必不可少的环节，同样应该受到学界的重视。作者进一步制定了微纳结构下光热界面蒸发焓的调节机制与评估标准，为明确光热蒸发机制提供了理论依据。

由此我们知道，开发具有高蒸发速率和出色防污性能的蒸发器在未来还将是界面水蒸发的重点问题，对此两位老师认为有哪些值得关注的材料或方法？

A：如今很多蒸发器材料都可以实现非常高的太阳能到蒸气的转化效率，进一步提高蒸发速率推进了近期低蒸发焓材料的研究与发展，其中多孔的碳基材料与水凝胶材料依旧会是未来的研究重点。蒸发器的防污染性能，尤其是耐盐性能，也是这个领域另一个受到重点关注的问题。热质输运平衡是我们需要面对的核心问题。需要注意的是，在实现耐盐效果的同时不应以牺牲能量效率为代价。主要的耐盐结构包括被动式的强化扩散结构与Janus结构等。此外，我们课题组在前不久提出了一种流动式的蒸发结构（1. Energy Environ. Sci., 2020, 13, 4891-4902; 2. ACS Energy Lett. 2020, 5, 11, 3397–3404），即通过单向引导水流穿过蒸发器材料，可以有效避免盐分与水体微生物在蒸发器表面的聚集积累。另外值得注意的是，这种单向流光热蒸发结构几乎适用于所有的平面二维蒸发器，并同时可以兼容多级太阳能蒸发装置，解决其中的盐污染问题。

图1. a.太阳能光热界面蒸发技术与b.吸附式大气集水技术的工作原理示意图。

针对于太阳能驱动的吸附式大气集水技术：文章首先强调了全湿度等温吸附测试的重要性，并着重推荐了0-20%湿度区间的探索，因为阐明低湿度下的吸附行为可以更好地帮助理解固气交互过程与吸附位点的取向问题，并益于指导适用于干旱气候的高性能吸附剂材料的设计。作者同时推荐了多温度的等温吸附测试与多压力的等压脱附测试，用以模拟并预测大气集水材料在不同工况下的运行特性。值得注意的是，文章指出大气水吸附与脱附动力学更适合采用大尺寸器件进行实验评估，而不建议使用颗粒、粉末等小尺寸样品进行测试，因为前者可以较为真实的还原现实运行场景中材料内部的热质传递情形。

另一个阻碍大气集水领域不同材料之间比较的现状是，文献往往采用不同的核心性能参数进行选择性进行报道，矛盾点主要在于质量产率（litre/kg·day）与面积产率（litre/m²·day）。文章作者认为，以上两个参数对于大气集水材料的评估都具有重要的参考价值，值得同时报道，因为同时实现高的质量产率与面积产率至关重要，这是由于，在未来理想的大气集水材料/装置应同时具备小型化、轻便、高产水率的特点。

此外，受限于不同的工作模式与循环次数，大气集水材料与装置的日产水率难以准确比较。鉴于此，作者建议对吸附剂材料的脱附能量需求进行定量评估，即报道吸附剂材料在单位能量输入下的产水量（specific water yield: litre/kWh）。在总日射量一定的情况下，可以有效预估不同材料的产水率极限，从而摆脱不同工作模式与循环条件的限制。

太阳能驱动的清洁水生产技术本身具有绿色可持续的优势，所以其应用阶段的可持续性很大限度上由材料本身所决定。然而制备千克级别的、具备扩大化潜力的高性能材料依旧是一个重大挑战，因此文章在最后强调了报道成本分析与合成制备过程的重要性与现实意义。

两位老师在海水淡化、可穿戴电子设备、绿色能源转换和存储方向都有不错的成果。而这些领域是如何建立起来的联系，未来他们的工作重心又会放在何处？两位老师是这样回答的：

A：绿色能源与水一直是我们课题组开展研究过程中的两个关键词，课题组所涉及的领域也都可以由这两个关键词有机串联起来。在未来，课题组依旧会围绕以上两个核心点开展研究工作。太阳能驱动的清洁水生产技术依旧是我们关注的重点，并会进一步尝试拓展、延申光热界面蒸发与吸湿材料在多学科的、交叉领域的基础与应用研究，例如，我们近期研发了一种高度吸湿的水凝胶材料并详细探讨了其在都市农业中的应用前景（Adv. Mater. 2020, 32, 2002936.）。

最后，究竟太阳能水生产技术会对我们的生活产生什么样影响？想要实现大规模产业化，未来又还有哪些难关要攻克？谈到这里，两位老师和我们分享：

A：太阳能水生产技术为我们的生产生活提供了一种去中心化的、低基础设施依赖的清洁水生产方案，同时这项技术兼具绿色、低碳、可持续的优势，非常契合国家未来的发展方向与战略。在大规模产业化的过程中，材料成本是一个我们无法忽略的问题。我们在评论文章中也提到，千克级活性材料的制备依旧是上述两项技术规模化应用的首要挑战。我们还应额外注意材料与装置扩大化过程中带来的局限性问题，例如，低维的水传输可以保障小尺寸光热蒸发器的高效率与耐盐性能，然而在等比例扩大以后，相同的水传输策略恐怕难以保证材料远端的水供给并进而会造成表面的盐污染问题。我们还在评论文章中提到，蒸发速率与高吸附容量并不能简单与最终的产水量划等号，因为蒸气的冷凝过程在文献的报道中往往被忽视，因此，高效的冷凝结构将会是接下来我们关注的焦点之一。此外，大规模装置往往会更容易引入有机与微生物污染，严密的水质检测办法也应该是我们需要考虑另一个重要议题。

文献链接：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