中南大学陈梅洁《ACS AMI》：基于光-热蒸发与辐射制冷的全天候淡水收集技术

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淡水匮乏已经成为一个日益严重的全球性问题，世界上相当一部分人口正经历淡水短缺危机，如何有效地获取淡水资源对缓解淡水资源危机具有十分重要的意义。其中，基于太阳能光-热蒸发收集淡水的方式具有绿色环保的特点，受到大家的广泛关注。然而该方式面临着光-热蒸发效率与淡水收集效率不匹配，以及夜间无法获得淡水等问题。

基于此，中南大学能源科学与工程学院陈梅洁副教授团队提出了一种全天候淡水收集技术。采用多孔阵列结构的选择性吸收涂层作为蒸发端，减少辐射热损失，提高其光-热转换效率；蒸发端与水体间采用吸水棉柱输送水，类似中空结构可其减少其向水体下方的热传导损失，提高其蒸发效率。此外，将透明聚合物作为冷凝端，利用较高的中红外发射率向外太空辐射散热，加速冷凝速率，同时实现夜间从空气中被动凝水，从而实现全天候淡水收集，以应用于热带沙漠地区的海水淡化和淡水采集领域。

在蒸发端，光-热选择性吸收涂层能够有效地减少热辐射损失，具有较高的光-热转换效率，相比于传统黑色多孔聚合物提高了35.7%。采用中空结构减少热传导损失，利用导热系数较低的空气隔热。通过优化光-热选择性吸收涂层多孔阵列的孔径和孔面积占比，优化了蒸发面积，使日间蒸发率达到1.23 kg m^-2 h^-1，相比黑色多孔聚合物提升较为明显。

在冷凝方面，透明辐射制冷聚合物（PDMS）作为冷凝端，具有较高的太阳光透射率和中红外辐射率，可以有效地将冷凝段热量散射到环境中。Plasma处理可以加强PDMS聚合物的亲水性，将其接触角调至69°，通过优化冷凝端的亲疏水性提高蒸汽冷凝收集速率。通过数值模拟计算得出，冷凝端冷凝速率理论上可达0.044 kg m^-2 h^-1。

户外实验结果显示，全天候淡水收集量可以达到0.87 kg m^-2，其中日间占比~ 80%，夜间占比~ 20%。冷凝端水滴脱落问题、云量的不稳定问题是限制该装置户外性能的因素，可以考虑加大倾斜角、设计蒸发端和冷凝端分离的结构等加以优化。该淡水收集方式能产生大量的淡水，日间充分利用太阳辐射，夜间从空气中被动冷凝水分，在海水淡化以及热带沙漠地区的淡水收集领域具有潜在的应用价值。

图1 全天候淡水收集示意图图2 相关材料表征：（a）光-热选择性吸收涂层外观及SEM图；（b）光-热选择性吸收涂层吸收率光谱；（c）透明辐射制冷聚合物（PDMS）外观图；（d）PDMS透射率和发射率光谱；（e）吸水棉SEM图像；（f）吸水棉水分输运特性；（g）吸水棉水分输运高度及（h）速度随时间变化曲线

以上研究成果以“All-day freshwater harvesting by selective solar absorption and radiative cooling”为题发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上，该论文共同第一作者为本科生席志远和研究生李爽，通讯作者为陈梅洁副教授。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.2c05409

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