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水資源短缺正成為人類面臨的全球性生態挑戰。世界上超過三分之二的人面臨缺水問題。界面太陽能水蒸發（ISSG）被認為是從海水或廢水中獲取淡水的一個有前景的解決方案。與傳統的太陽能蒸餾相比，ISSG通過將太陽能熱量集中在蒸發器表面附近來減少熱量損失。

到目前為止，許多材料，包括金屬納米顆粒、碳質材料、二維（2D）材料和水凝膠都被用作蒸發器。同時，還提出了許多提高蒸發速率的有效方法，涉及三維（3D）ISSG、多級蒸發、供水控制、與化學相變和電熱效應的協同作用、蒸發焓的降低等，蒸發性能的進一步提高遇到了瓶頸。傳統蒸發器在結構上是固定的，不能拆卸和變形，因此通常會導致鹽沉積并降低蒸發效率，盡管已經嘗試了不同的策略，包括Janus結構、局部結晶，少接觸蒸發、水對流和無芯水層。它們中的大多數僅涉及水的被動流體流動，水和鹽離子的主動循環尚未報道，這可以解決被動對流中的緩慢擴散問題。另一方面，在這些靜態蒸發系統中，蒸發速率在很大程度上受到蒸發表面周圍積聚的水蒸氣的限制，這是由于從蒸發器到周圍的水蒸氣擴散（WVD）不足造成的。為此，已經開展了先驅工作，用氣流增強WVD過程，而強制對流效率低并且與當前的封閉設備不兼容。因此，促進WVD是進一步提高蒸發速率的關鍵，這至今仍是一個具有挑戰性的問題。

成果簡介

界面太陽能水蒸發是一種有效地從海水或污水中獲取淡水的有前景的技術。然而，對于傳統的靜態蒸發模型，由于缺乏對蒸發過程中不斷演變的水運動和相變的動態管理和自我調節，進一步的性能改進遇到了瓶頸。

近日，清華大學曲良體教授，程虎虎助理研究員和中科院力學研究所劉峰等人通過石墨烯包裹的Fe₃O₄納米顆粒的可控和可逆組裝，開發了一種具有錐形陣列（CA）的可重構和磁響應蒸發器。與傳統的剛性蒸發結構不同，可變形和動態組件可以響應于可變磁場在宏觀和微觀尺度上重新配置自身。因此，內部水傳輸和外部蒸汽擴散同時得到極大促進，導致水蒸發率比靜態時候高23%。

此外，精心設計的分級組件和動態蒸發系統可以將蒸發率提高到5.9 kg/m²/h的創紀錄水平, 這一概念研究為具有動態重構和重組能力的高性能水蒸發系統的發展提供了新的方向。這項工作以“A reconfigurable and magnetically responsive assembly for dynamic solar steam generation”為題發表在國際頂級期刊《Nature Communications》上。

圖文導讀

圖1 可重構的動態水蒸發Fe₃O₄@G組裝示意圖

圖2 制備和表征Fe₃O₄@G納米顆粒

在這里，作者提出了一種通過石墨烯包裹的Fe₃O₄可逆組裝的動態可重構太陽能蒸發器(Fe₃O₄@G)納米顆粒。可以根據需要變形為各種形狀。良好組裝的CA組件具有優異的耐鹽特性、再循環能力以及高蒸發率。可變磁場中CA組件的實時重新配置對周圍大氣造成了宏觀干擾，極大地促進了WVD（圖1b，c）。同時，在微觀層面上，內部納米顆粒在CA組件內自適應地重新排列，為有利的水輸送建立物質的內部循環（圖1d，e）。結果，與靜態蒸發相比，蒸發速率提高了23%。基于Fe₃O₄@G靜態蒸發率提高到4.80 kg m^?2h^?1在1 kW m^?2的一個太陽能輻照下，在動態蒸發過程中可以進一步提高到5.88 kg m^?2h^?1的水平。這項概念驗證工作為開發動態可調的先進太陽能水蒸發系統提供了一個新的視角。

得益于石墨烯包裹核殼結構，Fe₃O₄@G納米顆粒具有顯著的可逆特性組裝和重新配置。典型的重新配置過程Fe₃O₄@G組裝示例如圖3a-c所示。首先，可以預先在左面板上構造獨立的CA組件（圖3a）。通過控制磁場和水含量，CA組件可以立即分解成懸浮液Fe₃O₄@G納米顆粒，其自身可以變形以從左到右穿過狹窄的谷（圖3b），表明其優異的變形能力。最后，再生的CA組件可以在右面板處再次構建（圖3c）。可重構性Fe₃O₄@G由于以下因素實現了組裝：（i）由于石墨烯的空間位阻和潤滑效應，避免了不可逆聚集，（ii）由于表面親水性的合理調節，構建了分級多孔結構，（iii）因此賦予了以下組件：Fe₃O₄@G具有拆卸能力以及優異的水輸送能力。與純Fe₃O₄納米顆粒相比，在多次循環后沒有觀察不可逆聚集Fe₃O₄@G，由于奧斯特瓦爾德效應，成熟效應和不可逆聚集，純Fe₃O₄納米顆粒中形成了大顆粒。此外，在Fe₃O₄@G組件中形成了分級多孔結構。如圖3d所示，CA組件具有由多個單獨的錐形組件組成的周期性圖案，其中定向槽從底部向上逐漸變細，導致水的快速輸送（圖3e）。

圖3 Fe₃O₄@G組裝體的重構行為

圖4 CA組件的靜態蒸發性能

圖5 CA組件的動態蒸發性能

在圖4a所示的傳統設備中研究CA組件的靜態蒸發。該組件位于玻璃纖維基材上，玻璃纖維基材幾乎不吸收陽光。使用聚苯乙烯泡沫減少熱損失，并使用棉花棒作為水路。由于組件的重新配置能力，可以將其制成不同的形狀Fe₃O₄@G納米顆粒。其中，CA組件的水蒸發率最高，高達1.77 kg m^?2h^?1，比平面對應物高8%（圖4b）。

圖6動態蒸發增強效應的機理研究

圖7 磁性分級組件的動態蒸發

作者還開發了基于可重構的動態蒸發過程Fe₃O₄@G組裝體，如圖5a所示，當施加可變磁場時，CA組件的方向改變為磁體的相反方向，導致周期性的圓周運動。相應的光學圖像和SEM圖像顯示在圖5b、c中。在旋轉運動期間，宏觀CA形狀和微觀分級多孔結構保持穩定，確保了擴大的蒸發面積和足夠的水供應用于動態蒸發。如圖5d所示，在1個太陽光照下，隨著轉速從0增加到100 rpm，蒸發速率線性增加，當轉速超過100 rpm時，提高到2.05 kg m^?2h^?1。在0.5–2太陽光照下，蒸發速率比靜態蒸發和理論極限高約23%，表明動態蒸發過程大大促進了WVD過程以及蒸發性能。

得益于CA組件在宏觀和微觀尺度上的動態運動，有三個方面主要有助于蒸發增強：（i）不同傾斜角度下太陽光吸收的一致性，（ii）旋轉期間促進的WVD，以及（iii）改善的熱導率，由納米顆粒的快速重排引起的水遷移和離子擴散。圖6a顯示了在1個太陽光強度照射下的溫度升高曲線。傾斜和垂直狀態下的CA組件呈現類似的高溫，這表明當改變CA組件的方向時，對陽光吸收和太陽熱效應沒有干擾。從宏觀上看，動態運動不僅將水蒸氣從蒸發表面帶走，而且還將CA組件暴露于具有較低蒸氣壓的大氣中。因此，CA組件表面附近較低的水蒸氣壓力導致蒸發速率增加，這在原位紅外成像監視器上得到了清晰的反映（圖6b）。

與靜態蒸發相比，在150 rpm的動態蒸發過程中，單個CA組件的平均溫度從29.2°C降至27.8°C（圖6c）。該趨勢與蒸發速率的趨勢一致（圖5d）。因此，動態運動極大地促進了WVD，從而提高了蒸發速率。此外，溫度分布圖的較低斜率也表明，隨著轉速的增加，熱導率越來越好。

總結展望

綜上所述，作者開發了一種可重構的磁響應太陽能蒸發器，利用Fe₃O₄@G納米顆粒。獨特的由磁場誘導的錐形陣列（CA）組件賦予蒸發器優異的特性，包括良好的耐鹽能力、充分的水傳輸、再循環能力以及高蒸發率。與傳統靜態蒸發相比，CA組件在宏觀和微觀尺度上的動態重構導致蒸發速率提高了20%以上。

此外，通過宏磁體與CA組件的合理組合，構建了復雜的分層組件，在1個太陽照射下，蒸發率達到創紀錄的4.80 kg m^?2h^?1。采用動態蒸發，蒸發率高達5.88 kg m^?2h^?1。因此，可重新配置的動態可重構組件Fe₃O₄@G納米顆粒為進一步提高水蒸發性能提供了一個新的視角，這有助于對ISSG領域的基本理解，以及未來太陽能水蒸發系統的合理設計。

文獻信息

A reconfigurable and magnetically responsive assembly for dynamic solar steam generation. (Nat. Commun. 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-32051-3)

https://www.nature.com/articles/s41467-022-32051-3

原創文章，作者：華算老司機，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2022/09/02/6782f974f3/

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清華大學Nature子刊：太陽能解決淡水危機，首次提出動態蒸發！

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