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曲良體&劉峰，最新Nature子刊！

成果展示

太陽能界面水蒸發（Interfacial solar vapor generation, ISVG）是一種很有前途的技術，可以有效地從海水或污水中獲取淡水。然而，對于傳統的靜態蒸發模型，由于缺乏對蒸發過程中水運動和相變演化的動態管理和自我調節，其性能的進一步改進遇到了瓶頸。

基于此，清華大學曲良體教授和程虎虎助理研究員、中科院力學研究所劉峰副研究員（共同通訊作者）等人報道了通過石墨烯包裹的Fe₃O₄納米顆粒（Fe₃O₄@G）的可控和可逆組裝，開發了一種具有錐形陣列（conic array, CA）的可重構和磁響應蒸發器。不同于傳統的剛性蒸發結構，可變形和動態組件可以響應變化的磁場在宏觀和微觀尺度上重新配置。組織良好的CA組件具有優異的耐鹽特性、回收能力以及高蒸發率，同時CA組件在可變磁場中的實時重構對周圍大氣造成宏觀擾動，極大地促進了水蒸氣擴散（water vapor diffusion, WVD）。

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，建立了有利于水分傳輸的物質內部循環。與靜態蒸發相比，蒸發速率提高了23%。基于Fe₃O₄@G的三維（3D）磁性分層組裝，在1?kW?m^-2的太陽光照下，靜態蒸發速率提高到4.80?kg?m^-2 h^-1，甚至可以在動態蒸發過程中進一步提高到創紀錄的5.88?kg?m^-2 h^-1水平。該工作為開發可動態調節的先進太陽能水蒸發系統提供了新的視角。

背景介紹

水資源短缺正在成為人類面臨的全球性生態挑戰，其中太陽能界面水蒸發（Interfacial solar steam generation, ISSG）被認為是一種從海水或廢水中獲取淡水的有前途的解決方案。目前，金屬納米顆粒、碳質材料、二維（2D）材料、水凝膠等材料被用作蒸發器。同時，也提出了許多提高蒸發速率的有效方法，如三維（3D）ISSG、多級蒸發、供水控制、化學相變和電熱效應的協同作用等。然而，蒸發性能的進一步提高遇到了瓶頸。傳統蒸發器結構固定，無法拆卸和變形，因此通常會導致鹽沉積并降低蒸發效率。其中，大部分只涉及水的被動流體流動，水和鹽離子的主動循環尚未見報道，這可以解決被動對流中擴散率慢的問題。此外，在這些靜態蒸發系統中，蒸發速率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環境的水蒸氣擴散（WVD）不足造成的。雖然利用氣流可以增強WVD工藝，但是強制對流流動效率低且與當前的封閉裝置不兼容。因此，推進WVD是進一步提高蒸發率的關鍵，至今仍是一個難以解決的難題。

圖文速遞

圖1.可重構Fe₃O₄@G組件實現的動態蒸發

圖2. Fe₃O₄@G納米顆粒的制備與表征

圖3. Fe₃O₄@G組件的重構性能

圖4. CA組件的靜態蒸發性能

圖5. CA組件的動態蒸發

圖6.動態蒸發增強效應的機制

圖7. 磁性分層組件的動態蒸發

小? 結

總之，作者利用Fe₃O₄@G納米顆粒的可逆組裝，開發了一種可重構和磁響應的太陽能水蒸發器。其中，獨特的磁場感應錐形陣列（CA）組件使得蒸發器具有優良的特性，包括良好的抗鹽能力、充足的水輸送、循環利用能力以及高蒸發率。對比傳統的靜態蒸發，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。通過宏觀磁體與CA組件的合理組合構建了復雜的分層組件，在1次陽光照射下實現了高達4.80?kg?m^-2 h^-1的創紀錄的高蒸發率。通過動態蒸發，甚至可以實現高達5.88? kg?m^-2 h^-1的更高蒸發速率。因此，可重構的Fe₃O₄@G納米顆粒實現的動態和可重構組裝為進一步提高水蒸發性能提供了新的視角，有助于未來對ISSG領域的基本理解，以及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. Nature Communications, 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-32051-3.

https://doi.org/10.1038/s41467-022-32051-3.

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