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作者介紹

朱嘉，南京大學教授，博士生導師，國家杰出青年基金獲得者，長期從事基于微納結構的光熱調控領域的研究。研究方向包括：1）納米光子學；2）低維熱傳輸；3）界面光熱材料；4）輻射制冷。

英國皇家化學學會會士，擔任Nanophotonics責任編輯與Advanced Photonics的編委。曾獲科學探索獎（2020）、陳嘉庚青年科學家獎（2018）、美國光學學會青年科學家獎(2017)、江蘇省五四青年獎章（2017）、杜邦青年教授獎(2016)、饒毓泰基礎光學獎優秀獎（2016）、麻省理工技術評論全球青年創新人物獎(2016)等。

2017年，央視以專題報道了被國際權威雜志《Science》稱為可以為世界解渴的朱嘉教授，其有望帶來高效太陽能海水淡化產業突破?；赝@幾年的發展，朱嘉教授在眾多有影響力的期刊上發表了重要文章，同時將成果進行轉化，真正做到了將論文成果灑向祖國大地！

2023年4月3日，朱嘉教授就以“Solar steam-driven membrane filtration for high flux water purification”為題在Nature Water發表了關于太陽能海水淡化的最新成果！作者設計了一種界面驅動的反滲透/納濾裝置，實現了水分子和離子的分離，其在12個太陽光照下，產水量能夠達到81 kg m^-2h^-1，遠遠高于之前已經報道的工作！

實際上，作為一種新興的能量轉換方式，界面太陽能蒸發能夠捕獲太陽能并將產生的熱量用于蒸發水分子，被認為是太陽能轉換的重要策略。在過去十年中，太陽能到蒸汽的效率接近熱力學極限，這也激發了研究者濃厚的興趣。然而，僅靠提高能源效率并不能推動該領域走向實際應用。因此，除了太陽能蒸汽效率或蒸發通量之外，還應考慮不同因素和基本挑戰。

時隔一個月，南京大學朱嘉教授，美國加州大學伯克利分校Baoxia Mi和香港理工大學王鵬教授等人首先討論了太陽能蒸發的幾個有前途的應用，以及相應的品質因數，其用于清潔水，廢水和鹽水管理，資源回收，滅菌和發電。然后，作者討論了需要確定的太陽能蒸發的基本方面，例如微觀傳熱和水分子鍵合，這與蒸發性能密切相關。最后，討論太陽能以外的能源，以進一步提高蒸發性能。

相關文章以“Going beyond efficiency for solar evaporation”為題發表在Nature Water上。

水蒸氣或蒸汽是一種重要的能源載體，從烹飪、發電和消毒到水的凈化。然而，由于必須打破大量的氫鍵才能發生汽化，水從液體到蒸汽的熱驅動相變處于密集狀態。

因此，利用清潔和可再生能源來克服巨大的水蒸發焓（h_E≈2431kJ kg^-1在30°C時）是極其重要的。由太陽能驅動的蒸發是水循環的關鍵步驟，但由于其固有的低效率（<20%），只有一小部分陽光可以被水吸收，不能直接驅動液氣相變化。在過去的幾年里，金屬顆粒和碳基材料已被用于增強太陽能的吸收和熱管理。

人們很快意識到，從太陽能蒸發效率的角度來看，理想的方法是漂浮在太陽能蒸發器/吸收器上，在水的頂部表面捕獲太陽能，并將轉化為為蒸發水分子。事實上，這種界面太陽能蒸發策略已被證明在提高能源效率方面非常高效。基于在材料和結構方面的研究，設計與光捕獲，熱管理和供水的應用逐漸增加，能源效率（η）具有接近92.5%的熱力學極限。

縱觀光伏發電的發展歷史，能源效率一直是光伏發電領域的重中之重，太陽能蒸發能源效率的飛躍引發了人們對各種實際應用的興趣，如清潔水生產、廢水和鹵水管理、資源回收、殺菌和發電。因此，預計除了太陽-蒸汽效率或快速蒸發蒸汽通量外，還應考慮不同應用（包括水、能源和藥物）的因素。

圖1. 界面太陽蒸發的關鍵參數

太陽能蒸發技術助力海水淡化

由各種水資源（如海水、微咸水和工業廢水）的太陽能蒸發驅動的淡水資源被認為是該領域最有前途的應用之一。作為傳統水處理技術的補充，界面太陽蒸發為解決日益嚴重的全球水危機提供了一種新的戰略。

據估計，這種策略的成本低至0.4-2.2 t^-1，這比小型反滲透系統便宜。同時，由冷凝蒸氣產生的淡水在水質方面往往優于其他水處理技術。此外，冷凝界面的低效傳熱往往阻礙快速高效的冷凝，導致更強的過飽和，從而降低蒸發蒸汽通量。

研究顯示，倒置結構被用于增強冷凝，同時最大限度地減少光學損耗：吸收器放置在冷凝器的頂部，而蒸汽則在底部表面上，避免了光學損失。具有高導熱性和疏水納米結構的金屬可以用于縮凝，大大提高了縮凝傳熱。

更重要的是，該倒置結構裝置可以方便地結合多級蒸發和縮合組件，可以回收蒸汽縮合過程中的焓，以驅動進一步的水蒸發。然而，雖然每個階段的投資成本幾乎不變，但增加多個階段的邊際效益單調遞減，導致淡水的單位成本增加。

基于太陽能驅動吸附的大氣集水技術是另一種重要的太陽能驅動水技術，其大氣估計占全球淡水資源的10%。無論地理條件如何，都可以生產清潔的水，這對于遠離液態水水源的干旱地區尤其重要。基于太陽能驅動的大氣水收集通常包括兩個串聯程序：（1）從環境中捕獲水蒸氣，（2）通過太陽能加熱釋放蒸汽并冷凝成干凈的液態水。

表1. 界面太陽蒸發的應用和優勢

廢水和鹽水管理

界面太陽蒸發也被用于處理廢水，如紡織廢物、鹽水和含有高濃度溶解的廢水。需要注意的是，采用傳統的水處理技術處理高固體含量的廢水往往很具挑戰性，界面太陽蒸發具有成本低、設備簡單、耐污、抗高鹽度和低碳足跡等優點，被認為有望處理高鹽度鹽水，最終實現水和溶質的完全分離，或零液體排放。

資源回收

雖然廢水和鹽水中的溶解性固體對污染有潛在的挑戰，但它們也為資源回收利用提供了巨大的機會。當水蒸發時，溶解的固體被濃縮并最終沉淀出來。為了方便地收集沉淀的溶質，實用的策略是開發三維太陽能蒸發器，其中沉淀物形成不穩定的結構，自然脫落。

此外，在供水中具有梯度的蒸發器，如顆粒、錐體、柱狀、傘形蒸發器等，也可以定向/動態沉淀鹽，避免阻擋陽光，導致良好的鹽回收性能。另一種很有前途的方法包括分離蒸發表面和光吸收表面，這有效地避免了相應的光阻塞問題。

然而，在完成水和溶質的分離時，這些材料或結構的再生方法和相應的再生效率在以往的工作中很少被研究。

消毒滅菌

蒸汽消毒被認為是滅活醫療設備和材料上病原體最有效和最可靠的方法之一。然而，傳統的蒸汽消毒主要依賴于電力或現代燃料，這對許多發展中國家和地區來說資源有限。

因此，由無處不在的太陽光驅動的高溫/高壓太陽蒸汽的產生，在這種情況下顯示出了巨大的前景。為了達到并保持如此高的蒸汽溫度，吸收器和系統都需要精心設計，因此這通常涉及無機基材料。

研究還表明，基于界面加熱的滅菌階段（加熱、殺菌和冷卻），由于大量降低熱質量和熱損失，太陽能蒸汽滅菌器具有巨大的動態優勢。

發電

蒸汽所攜帶的“自由能”也可以轉化為電能，使用集中太陽能發電廠，集中太陽能產生高溫高壓蒸汽，然后通過熱機發電。由于集中的太陽能發電廠需要大型和復雜的設施，因此需要開發分散和低成本的解決方案。

全文總結

總之，界面太陽蒸發正在成為一種很有前途的技術，以解決水-能源關系中的挑戰。其能源效率接近熱力學極限，豐富了太陽能蒸發的各種應用，包括清潔水生產、廢水和鹽水管理、資源回收、滅菌和發電。

太陽蒸發性能從根本上依賴于微觀傳熱，以及水分子的鍵合，這在很大程度上仍未被探索。隨著3D太陽能蒸發器的出現，預計除了太陽能之外，各種能源都可以用來進一步促進水的蒸發。

雖然過去的努力已經奠定了堅實的基礎，但這只是“開始的結束”。預計這一勢頭將在未來十年繼續進行全球合作努力，并成為解決現有挑戰和將上述預計的應用轉向可行的工業化/商業化技術的信心來源。在蒸氣產生方面的發現和經驗也可以擴展到這里提到的各種應用——例如催化、分餾、被動冷卻等——并在液相相變的廣義領域產生更廣泛的影響。

文獻信息

1.https://www.nature.com/articles/s44221-023-00059-8

2.https://www.nature.com/articles/s44221-023-00086-5

3.https://www.cctv.com/

4.https://nanoenergy.nju.edu.cn/zwjj/szdw/index.html

原創文章，作者：Gloria，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/10/05/2dab53e7fb/

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