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作者介紹

他！被Science評為可為世界“解渴”之人，兩月兩篇Nature Water!

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

英國皇家化學(xué)學(xué)會會士，擔(dān)任Nanophotonics責(zé)任編輯與Advanced Photonics的編委。曾獲科學(xué)探索獎（2020）、陳嘉庚青年科學(xué)家獎（2018）、美國光學(xué)學(xué)會青年科學(xué)家獎(2017)、江蘇省五四青年獎?wù)拢?017）、杜邦青年教授獎(2016)、饒毓泰基礎(chǔ)光學(xué)獎優(yōu)秀獎（2016）、麻省理工技術(shù)評論全球青年創(chuàng)新人物獎(2016)等。

2017年，央視以專題報道了被國際權(quán)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(chǎn)業(yè)突破。回望這幾年的發(fā)展，朱嘉教授在眾多有影響力的期刊上發(fā)表了重要文章，同時將成果進(jìn)行轉(zhuǎn)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(fā)表了關(guān)于太陽能海水淡化的最新成果！作者設(shè)計了一種界面驅(qū)動的反滲透/納濾裝置，實現(xiàn)了水分子和離子的分離，其在12個太陽光照下，產(chǎn)水量能夠達(dá)到81 kg m^-2h^-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于之前已經(jīng)報道的工作！

實際上，作為一種新興的能量轉(zhuǎn)換方式，界面太陽能蒸發(fā)能夠捕獲太陽能并將產(chǎn)生的熱量用于蒸發(fā)水分子，被認(rèn)為是太陽能轉(zhuǎn)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(xué)極限，這也激發(fā)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(lǐng)域走向?qū)嶋H應(yīng)用。因此，除了太陽能蒸汽效率或蒸發(fā)通量之外，還應(yīng)考慮不同因素和基本挑戰(zhàn)。

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

相關(guān)文章以“Going beyond efficiency for solar evaporation”為題發(fā)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(fā)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(fā)生汽化，水從液體到蒸汽的熱驅(qū)動相變處于密集狀態(tài)。

因此，利用清潔和可再生能源來克服巨大的水蒸發(fā)焓（h_E≈2431kJ kg^-1在30°C時）是極其重要的。由太陽能驅(qū)動的蒸發(fā)是水循環(huán)的關(guān)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(qū)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(qiáng)太陽能的吸收和熱管理。

人們很快意識到，從太陽能蒸發(fā)效率的角度來看，理想的方法是漂浮在太陽能蒸發(fā)器/吸收器上，在水的頂部表面捕獲太陽能，并將轉(zhuǎn)化為為蒸發(fā)水分子。事實上，這種界面太陽能蒸發(fā)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(jié)構(gòu)方面的研究，設(shè)計與光捕獲，熱管理和供水的應(yīng)用逐漸增加，能源效率（η）具有接近92.5%的熱力學(xué)極限。

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

圖1. 界面太陽蒸發(fā)的關(guān)鍵參數(shù)

太陽能蒸發(fā)技術(shù)助力海水淡化

由各種水資源（如海水、微咸水和工業(yè)廢水）的太陽能蒸發(fā)驅(qū)動的淡水資源被認(rèn)為是該領(lǐng)域最有前途的應(yīng)用之一。作為傳統(tǒng)水處理技術(shù)的補(bǔ)充，界面太陽蒸發(fā)為解決日益嚴(yán)重的全球水危機(jī)提供了一種新的戰(zhàn)略。

據(jù)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(tǒng)便宜。同時，由冷凝蒸氣產(chǎn)生的淡水在水質(zhì)方面往往優(yōu)于其他水處理技術(shù)。此外，冷凝界面的低效傳熱往往阻礙快速高效的冷凝，導(dǎo)致更強(qiáng)的過飽和，從而降低蒸發(fā)蒸汽通量。

研究顯示，倒置結(jié)構(gòu)被用于增強(qiáng)冷凝，同時最大限度地減少光學(xué)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(xué)損失。具有高導(dǎo)熱性和疏水納米結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)裝置可以方便地結(jié)合多級蒸發(fā)和縮合組件，可以回收蒸汽縮合過程中的焓，以驅(qū)動進(jìn)一步的水蒸發(fā)。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(diào)遞減，導(dǎo)致淡水的單位成本增加。

基于太陽能驅(qū)動吸附的大氣集水技術(shù)是另一種重要的太陽能驅(qū)動水技術(shù)，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(chǎn)清潔的水，這對于遠(yuǎn)離液態(tài)水水源的干旱地區(qū)尤其重要。基于太陽能驅(qū)動的大氣水收集通常包括兩個串聯(lián)程序：（1）從環(huán)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(tài)水。

表1. 界面太陽蒸發(fā)的應(yīng)用和優(yōu)勢

廢水和鹽水管理

界面太陽蒸發(fā)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(tǒng)的水處理技術(shù)處理高固體含量的廢水往往很具挑戰(zhàn)性，界面太陽蒸發(fā)具有成本低、設(shè)備簡單、耐污、抗高鹽度和低碳足跡等優(yōu)點，被認(rèn)為有望處理高鹽度鹽水，最終實現(xiàn)水和溶質(zhì)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(zhàn)，但它們也為資源回收利用提供了巨大的機(jī)會。當(dāng)水蒸發(fā)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(zhì)，實用的策略是開發(fā)三維太陽能蒸發(fā)器，其中沉淀物形成不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，自然脫落。

此外，在供水中具有梯度的蒸發(fā)器，如顆粒、錐體、柱狀、傘形蒸發(fā)器等，也可以定向/動態(tài)沉淀鹽，避免阻擋陽光，導(dǎo)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(fā)表面和光吸收表面，這有效地避免了相應(yīng)的光阻塞問題。

然而，在完成水和溶質(zhì)的分離時，這些材料或結(jié)構(gòu)的再生方法和相應(yīng)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(rèn)為是滅活醫(yī)療設(shè)備和材料上病原體最有效和最可靠的方法之一。然而，傳統(tǒng)的蒸汽消毒主要依賴于電力或現(xiàn)代燃料，這對許多發(fā)展中國家和地區(qū)來說資源有限。

因此，由無處不在的太陽光驅(qū)動的高溫/高壓太陽蒸汽的產(chǎn)生，在這種情況下顯示出了巨大的前景。為了達(dá)到并保持如此高的蒸汽溫度，吸收器和系統(tǒng)都需要精心設(shè)計，因此這通常涉及無機(jī)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(zhì)量和熱損失，太陽能蒸汽滅菌器具有巨大的動態(tài)優(yōu)勢。

發(fā)電

蒸汽所攜帶的“自由能”也可以轉(zhuǎn)化為電能，使用集中太陽能發(fā)電廠，集中太陽能產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，然后通過熱機(jī)發(fā)電。由于集中的太陽能發(fā)電廠需要大型和復(fù)雜的設(shè)施，因此需要開發(fā)分散和低成本的解決方案。

全文總結(jié)

總之，界面太陽蒸發(fā)正在成為一種很有前途的技術(shù)，以解決水-能源關(guān)系中的挑戰(zhàn)。其能源效率接近熱力學(xué)極限，豐富了太陽能蒸發(fā)的各種應(yīng)用，包括清潔水生產(chǎn)、廢水和鹽水管理、資源回收、滅菌和發(fā)電。

太陽蒸發(fā)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(fā)器的出現(xiàn)，預(yù)計除了太陽能之外，各種能源都可以用來進(jìn)一步促進(jìn)水的蒸發(fā)。

雖然過去的努力已經(jīng)奠定了堅實的基礎(chǔ)，但這只是“開始的結(jié)束”。預(yù)計這一勢頭將在未來十年繼續(xù)進(jìn)行全球合作努力，并成為解決現(xiàn)有挑戰(zhàn)和將上述預(yù)計的應(yīng)用轉(zhuǎn)向可行的工業(yè)化/商業(yè)化技術(shù)的信心來源。在蒸氣產(chǎn)生方面的發(fā)現(xiàn)和經(jīng)驗也可以擴(kuò)展到這里提到的各種應(yīng)用——例如催化、分餾、被動冷卻等——并在液相相變的廣義領(lǐng)域產(chǎn)生更廣泛的影響。

文獻(xiàn)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

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