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水資源短缺正成為人類面臨的全球性生態(tài)挑戰(zhàn)。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(fā)（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(tǒng)的太陽能蒸餾相比，ISSG通過將太陽能熱量集中在蒸發(fā)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(zhì)材料、二維（2D）材料和水凝膠都被用作蒸發(fā)器。同時，還提出了許多提高蒸發(fā)速率的有效方法，涉及三維（3D）ISSG、多級蒸發(fā)、供水控制、與化學(xué)相變和電熱效應(yīng)的協(xié)同作用、蒸發(fā)焓的降低等，蒸發(fā)性能的進一步提高遇到了瓶頸。傳統(tǒng)蒸發(fā)器在結(jié)構(gòu)上是固定的，不能拆卸和變形，因此通常會導(dǎo)致鹽沉積并降低蒸發(fā)效率，盡管已經(jīng)嘗試了不同的策略，包括Janus結(jié)構(gòu)、局部結(jié)晶，少接觸蒸發(fā)、水對流和無芯水層。它們中的大多數(shù)僅涉及水的被動流體流動，水和鹽離子的主動循環(huán)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(tài)蒸發(fā)系統(tǒng)中，蒸發(fā)速率在很大程度上受到蒸發(fā)表面周圍積聚的水蒸氣的限制，這是由于從蒸發(fā)器到周圍的水蒸氣擴散（WVD）不足造成的。為此，已經(jīng)開展了先驅(qū)工作，用氣流增強WVD過程，而強制對流效率低并且與當(dāng)前的封閉設(shè)備不兼容。因此，促進WVD是進一步提高蒸發(fā)速率的關(guān)鍵，這至今仍是一個具有挑戰(zhàn)性的問題。

成果簡介

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

近日，清華大學(xué)曲良體教授，程虎虎助理研究員和中科院力學(xué)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(fā)了一種具有錐形陣列（CA）的可重構(gòu)和磁響應(yīng)蒸發(fā)器。與傳統(tǒng)的剛性蒸發(fā)結(jié)構(gòu)不同，可變形和動態(tài)組件可以響應(yīng)于可變磁場在宏觀和微觀尺度上重新配置自身。因此，內(nèi)部水傳輸和外部蒸汽擴散同時得到極大促進，導(dǎo)致水蒸發(fā)率比靜態(tài)時候高23%。

此外，精心設(shè)計的分級組件和動態(tài)蒸發(fā)系統(tǒng)可以將蒸發(fā)率提高到5.9 kg/m²/h的創(chuàng)紀錄水平, 這一概念研究為具有動態(tài)重構(gòu)和重組能力的高性能水蒸發(fā)系統(tǒng)的發(fā)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(fā)表在國際頂級期刊《Nature Communications》上。

清華大學(xué)Nature子刊：太陽能解決淡水危機，首次提出動態(tài)蒸發(fā)！

圖文導(dǎo)讀

圖1 可重構(gòu)的動態(tài)水蒸發(fā)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(tài)可重構(gòu)太陽能蒸發(fā)器(Fe₃O₄@G)納米顆粒?？梢愿鶕?jù)需要變形為各種形狀。良好組裝的CA組件具有優(yōu)異的耐鹽特性、再循環(huán)能力以及高蒸發(fā)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(nèi)部納米顆粒在CA組件內(nèi)自適應(yīng)地重新排列，為有利的水輸送建立物質(zhì)的內(nèi)部循環(huán)（圖1d，e）。結(jié)果，與靜態(tài)蒸發(fā)相比，蒸發(fā)速率提高了23%?；贔e₃O₄@G靜態(tài)蒸發(fā)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(tài)蒸發(fā)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(fā)動態(tài)可調(diào)的先進太陽能水蒸發(fā)系統(tǒng)提供了一個新的視角。

得益于石墨烯包裹核殼結(jié)構(gòu)，F(xiàn)e₃O₄@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(yù)先在左面板上構(gòu)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(yōu)異的變形能力。最后，再生的CA組件可以在右面板處再次構(gòu)建（圖3c）。可重構(gòu)性Fe₃O₄@G由于以下因素實現(xiàn)了組裝：（i）由于石墨烯的空間位阻和潤滑效應(yīng)，避免了不可逆聚集，（ii）由于表面親水性的合理調(diào)節(jié)，構(gòu)建了分級多孔結(jié)構(gòu)，（iii）因此賦予了以下組件：Fe₃O₄@G具有拆卸能力以及優(yōu)異的水輸送能力。與純Fe₃O₄納米顆粒相比，在多次循環(huán)后沒有觀察不可逆聚集Fe₃O₄@G，由于奧斯特瓦爾德效應(yīng)，成熟效應(yīng)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(jié)構(gòu)。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(dǎo)致水的快速輸送（圖3e）。

圖3 Fe₃O₄@G組裝體的重構(gòu)行為

圖4 CA組件的靜態(tài)蒸發(fā)性能

圖5 CA組件的動態(tài)蒸發(fā)性能

在圖4a所示的傳統(tǒng)設(shè)備中研究CA組件的靜態(tài)蒸發(fā)。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(fā)率最高，高達1.77 kg m^?2h^?1，比平面對應(yīng)物高8%（圖4b）。

圖6動態(tài)蒸發(fā)增強效應(yīng)的機理研究

圖7 磁性分級組件的動態(tài)蒸發(fā)

作者還開發(fā)了基于可重構(gòu)的動態(tài)蒸發(fā)過程Fe₃O₄@G組裝體，如圖5a所示，當(dāng)施加可變磁場時，CA組件的方向改變?yōu)榇朋w的相反方向，導(dǎo)致周期性的圓周運動。相應(yīng)的光學(xué)圖像和SEM圖像顯示在圖5b、c中。在旋轉(zhuǎn)運動期間，宏觀CA形狀和微觀分級多孔結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，確保了擴大的蒸發(fā)面積和足夠的水供應(yīng)用于動態(tài)蒸發(fā)。如圖5d所示，在1個太陽光照下，隨著轉(zhuǎn)速從0增加到100 rpm，蒸發(fā)速率線性增加，當(dāng)轉(zhuǎn)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(fā)速率比靜態(tài)蒸發(fā)和理論極限高約23%，表明動態(tài)蒸發(fā)過程大大促進了WVD過程以及蒸發(fā)性能。

得益于CA組件在宏觀和微觀尺度上的動態(tài)運動，有三個方面主要有助于蒸發(fā)增強：（i）不同傾斜角度下太陽光吸收的一致性，（ii）旋轉(zhuǎn)期間促進的WVD，以及（iii）改善的熱導(dǎo)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(tài)下的CA組件呈現(xiàn)類似的高溫，這表明當(dāng)改變CA組件的方向時，對陽光吸收和太陽熱效應(yīng)沒有干擾。從宏觀上看，動態(tài)運動不僅將水蒸氣從蒸發(fā)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(dǎo)致蒸發(fā)速率增加，這在原位紅外成像監(jiān)視器上得到了清晰的反映（圖6b）。

與靜態(tài)蒸發(fā)相比，在150 rpm的動態(tài)蒸發(fā)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(fā)速率的趨勢一致（圖5d）。因此，動態(tài)運動極大地促進了WVD，從而提高了蒸發(fā)速率。此外，溫度分布圖的較低斜率也表明，隨著轉(zhuǎn)速的增加，熱導(dǎo)率越來越好。

總結(jié)展望

綜上所述，作者開發(fā)了一種可重構(gòu)的磁響應(yīng)太陽能蒸發(fā)器，利用Fe₃O₄@G納米顆粒。獨特的由磁場誘導(dǎo)的錐形陣列（CA）組件賦予蒸發(fā)器優(yōu)異的特性，包括良好的耐鹽能力、充分的水傳輸、再循環(huán)能力以及高蒸發(fā)率。與傳統(tǒng)靜態(tài)蒸發(fā)相比，CA組件在宏觀和微觀尺度上的動態(tài)重構(gòu)導(dǎo)致蒸發(fā)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(gòu)建了復(fù)雜的分層組件，在1個太陽照射下，蒸發(fā)率達到創(chuàng)紀錄的4.80 kg m^?2h^?1。采用動態(tài)蒸發(fā)，蒸發(fā)率高達5.88 kg m^?2h^?1。因此，可重新配置的動態(tài)可重構(gòu)組件Fe₃O₄@G納米顆粒為進一步提高水蒸發(fā)性能提供了一個新的視角，這有助于對ISSG領(lǐng)域的基本理解，以及未來太陽能水蒸發(fā)系統(tǒng)的合理設(shè)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

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