今日Joule: 马里兰大学胡良兵团队综述与展望：太阳—水—能源

Original 知社知社学术圈 2022-12-11

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虽然地球上水资源非常丰富，但是其中绝大部分是不可直接饮用的海水及受污染的湖水、河水、地下水等。饮用水短缺已经成为越来越严峻的全球性问题。在欠发达地区，这个问题尤为严峻。为了解决饮用水短缺问题，当今的科学家也在不断努力。

在所有的水净化技术中，太阳能辅助水蒸发技术由于能量来源只有太阳能、对设备要求不高，一直深受科研人员的青睐。特别是在解决边远欠发达地区饮用水短缺方面展现出很好的前景。另外，太阳能辅助水蒸发技术在产电、产燃料、杀菌等领域也有广泛的应用前景。即使现代太阳能辅助水蒸发技术已经被广泛研究，但是成本低、能效高、规模化且具有良好稳定性的太阳能辅助水蒸发器的设计仍然是全球性的难题。

随着近十年在太阳能辅助水蒸发相关的吸光材料、热管理及水传输等领域的突破性进展，太阳能辅助水蒸发的实用化出现转机并再次成为研究热点【1-2】。在与本文第一作者陈朝吉博士和通讯作者胡良兵教授交流之后，今天小编帮大家分析一篇昨天发表在Joule期刊上的太阳能辅助水蒸发技术的综述与展望论文【3，为相关的材料学家、化学家、热科学家、水环境专家提供研究参考。

研究背景

饮用水资源短缺仍然是本世纪亟需解决的全球性问题之一。太阳能辅助水蒸发技术由于以太阳能为唯一能量来源且对设备要求较低，成为备受关注的净化水技术之一。但是长期以来太阳能辅助水蒸发系统由于对整个水体加热导致热量损失较大，效率较低（通常低于40%）。随着近年来相关的材料、器件及系统的重大创新，特别是纳米技术推进光热材料的快速发展及界面太阳能辅助水蒸发系统的发展，太阳能辅助水蒸发技术再次引起了广泛关注，科学家纷纷预言这项技术即将走入寻常百姓家。

内容简介

日前，来自马里兰大学的胡良兵教授团队基于课题组近年来的太阳能辅助水蒸发研究【4~8】，聚焦太阳能辅助水蒸发技术做了一项及时的综述与展望研究，在Joule上发表了题为“Challenges and Opportunities for Solar Evaporation”的综述文章。该文从历史和技术两个角度出发，全面描述了不同吸光材料和基体材料的工作原理与设计原则、太阳能辅助水蒸发的材料与结构设计策略、太阳能辅助水蒸发的应用，并针对该领域尚存的技术挑战及可能的解决思路和方向进行了深入讨论。为相关领域的学者、甚至只是对该技术感兴趣的一般公众提供了一个快速了解该技术进展及未来发展趋势的参考。

该文首先从材料光热转化机制的角度出发，总结了三种不同的光热转化机制：等离子体局部加热，电子空穴生成和弛豫，以及分子的热振动。基于这三种不同的光热转化机制，人们发展了等离子体金属纳米颗粒、半导体材料、碳材料、聚合物材料等吸光材料。除了吸光材料，人们还发展了许多具有隔热及传水功能的基体材料。该文进一步对太阳能辅助水蒸发材料和结构的工程和设计策略进行分析和总结，重点阐述了吸光材料和结构设计、热管理和热集中结构设计、水传输结构设计、界面设计、仿生结构设计、三维吸光结构设计、除盐结构设计及理论模拟策略等。接着，该文总结了太阳能辅助水蒸发在海水淡化/污染水净化/零排放水净化、产电、产燃料、杀菌等领域的应用。

文章最后探讨了太阳能辅助水蒸发技术进一步发展，特别是基础研究和商业化应用面临的一些挑战，提出了未来的可能的发展方向。随着太阳能辅助水蒸发技术的发展，特别是吸光材料、蒸发器结构、多学科交叉应用的快速发展，太阳能辅助水蒸发技术必将极大地扩展其应用领域并引起更广泛关注，并有希望在下一个十年实现工业净水、个人供水上的商业化应用，真正走进寻常百姓家。

图文解析

图1.一种典型的界面太阳能辅助水蒸发器结构和组成：吸光材料、基体、水体、入射太阳光、水蒸气、水蒸气冷凝及收集装置（没有包含在此图）。

一种典型的界面太阳能辅助水蒸发器通常由吸光材料、基体、水体、入射太阳光、水蒸气、水蒸气冷凝及收集装置等部分组成。对吸光材料的设计原则是实现高的宽带吸收和高效的光热转化。而基体结构则需要实现良好的隔热和传水。采取不同的策略，可以优化吸光、热管理、水传输和蒸发、材料和结构稳定性等，从而得到优异的蒸发性能。

材料的选择

图2. 各种光热材料（光吸收剂）的光热机制。（A）等离子体加热，（B）电子-空穴产生和弛豫，和（C）分子的热振动。

在过去的十年中，人们一直在研究在太阳光谱范围内具有高光吸收的光热材料。光热材料能够吸收入射光并通过光激发将其部分或完全转化为热量，其中移动载体由光诱导电场驱动并获得能量，转化为热能（热）。这种光热效应可以在各种材料中广泛观察到，如等离子体金属，半导体，碳质材料，聚合物，及其杂化物。它们的光热机制可以分为三大类，即等离子体局部加热，电子空穴生成和弛豫，以及分子的热振动。

材料与结构设计策略

图3. 调节光热材料的光吸收和/或光热转换的代表性策略。

在整个太阳光谱范围内实现高光吸收的材料和结构设计以及高效的光热转换是迈向高性能太阳能蒸发装置的第一步。如图3a所示，地球表面的分布式太阳能覆盖了300 nm至2.5μm的宽波长范围，由三部分组成：紫外区域（300-400 nm，约占总能量的3％），可见光区域（400-700nm，占总能量的~45％），以及红外区域（700nm-2.5μm，占总能量的~52％）。理想的光吸收材料和结构设计应能够在整个太阳光谱中最大限度地吸收太阳能。近年来人们提出各种材料和结构工程策略以有效地增强多功能光热材料中的光吸收和/或光热转换。其中一些代表性的策略，包括：1）调整光吸收体的微结构，以实现入射光的多次散射和最小化透射率和反射; 2）通过原子掺杂调整半导体的能带结构，以实现更宽波长范围的光吸收和更高效的光热转换;3）在宽范围的分布上调整等离子体纳米颗粒的尺寸和/或形状，以实现多波长光吸收（图3b-d）。

图4. 通过热定位的高性能太阳能蒸发器。

热管理在太阳能蒸发系统中至关重要。通过材料和结构设计，通过传导、对流和辐射最小化热损失，可以提供高效的热管理和蒸汽蒸发。热结构设计有两个一般设计原则：1）通过材料（包括吸光剂和基体材料）和热结构工程设计从微观尺度和宏观尺度最小化热损失;2）将产生的热量定位在蒸发表面上，以实现高表面温度和快速蒸发速率。在过去的十年中，致力于提高太阳能蒸发装置的热管理能力，并且大大提高了蒸发效率。Chen及其同事的热定位设计代表了一种出色的热结构设计，其中采用了双层碳结构，吸光、亲水、多孔膨胀石墨作为光吸收剂，绝缘，亲水，多孔碳泡沫绝热体（图4），实现了热在吸光剂-空气界面的定位。

图5. 3D，2D和1D水路设计。

水路设计是连续高效传水的关键因素。在传统的太阳能蒸发装置中，3D随机和互连的多孔结构使得水能够从下面的储层连续输送到上部蒸发表面。在最近的一项研究中，通过将木材通道平行于水面放置，通过反向树设计证明了自然制造的3D互连多孔结构（图5a和5b）。这些具有丰富和开放孔的3D水通道设计促进水输送，具有足够的毛细作用作为驱动力。然而，开孔中的水的填充总是导致导热率增加，这导致通过传导到大量水而导致更多的热量损失并且削弱热定位效果。最近，朱等开发了一种二维水通道结构，将水输送限制在包裹在PS泡沫绝热体上的二维圆柱形表面（导热系数：〜0.04 W m-1 K-1），从而同时实现高效供水和抑制热量损失。在最近的一项研究中，同一课题组进一步将水路结构的维数从2D降低到1D，以进一步抑制热量损失。1D和2D水路设计的一个共同特征是隔热结构与水输送结构的分离。热绝缘体中的孔设计成封闭的，以便最小化热损失，同时水输送结构中的孔是开放的，以便能够充分和连续地输送水。通过这种方式，可以平衡水运和隔热之间的冲突需求。

图6. 太阳能蒸发中的界面工程策略。

界面特性在太阳能蒸发系统中起着另一重要作用。界面最重要的特性是其润湿性，这对水输送，光吸收，装置漂浮和稳定性很重要。亲水界面（包括表面）对于通过毛细管泵送芯吸水是理想的，这是蒸发器和水传输结构的常见设计原理。然而，最近的一些研究表明，并非所有亲水界面都有利于高效水蒸发，特别是对于顶部蒸发表面。在顶部蒸发表面上过于亲水有时会导致多余的水覆盖顶部表面，从而导致更多的热量损失并使维持连续的太阳能蒸发变得困难。

图7. 双层木基太阳能蒸发装置的仿生设计。

自然是通过数十亿年的进化为自然过程构建辉煌结构的最伟大的大师，这激发了许多研究领域的许多结构设计。例如，植物通常具有可以运输的多通道结构从根部到上部树干的水和养分，然后在光合作用过程中使用。从材料的观点来看，植物的纤维素主导的组分具有良好的亲水性和低导热性，这与良好开发的多通道结构一起都是太阳能蒸发装置的理想特征。自然发展的植物结构与太阳能蒸发结构之间的相似性激发了各种仿生设计朝向高性能太阳能蒸发装置。

胡等人和Singamaneni等人通过使用双层木结构模仿树木中发生的水蒸腾过程，贡献了几种开创性的树木仿生设计。在一个典型的树木仿生太阳能蒸发器设计中，胡等人将天然椴木膜在空气中的热板上表面碳化，以在顶部表面上构建薄的无定形碳层。当置于海水或湿沙中并被入射光照射时，黑色顶部表面充当光吸收剂，其迅速加热并产生蒸汽。除了树木，蘑菇、草和植物叶，也激发了太阳能蒸发的智能仿生结构设计，并展示了一些最佳性能。通过分析自然结构和更加集中地学习自然发生的行为，研究人员可以通过自然启发的设计进一步推动太阳能蒸发材料和器件的发展。

图8. 太阳能蒸发装置的拒盐结构设计。

尽管在开发新材料/结构设计方面已经取得了很大的进步并且效率提高，但界面太阳能蒸发仍未准备好用于实际应用，特别是由于其缺乏长期稳定性。伴随连续蒸汽产生的最常见问题是在加热界面处盐的积累，这产生了两个严重的问题：1）由于盐沉积层的太阳反射增加而导致的太阳热转换减少; 2）阻塞供水路径，这两者都导致蒸发效率的显着降低。响应盐堵塞问题的常规方法包括反洗或物理去除，然而，这会中断连续生产，导致操作成本增加和生产率降低。因此非常需要具有防污性能的新型太阳能吸收材料和具有防盐性能的太阳能脱盐系统，但也难以实现。

最近，人们已经报道了几种方法来解决太阳能蒸发系统的盐阻塞问题。例如，受树木蒸腾作用的启发，胡等报道了一种双层木材蒸发器，其特点是其木质母材的遗传结构，当太阳辐射低于5个太阳强度时，可在海水中连续工作，无盐沉积。这种自然启发的独特通道设计利用木材中丰富、大而直的开放式微通道进行水传输，使盐能够在夜间再溶解，从而成为具有自清洁能力的太阳能海水淡化系统。据报道，具有不对称润湿性的浮膜吸光剂具有良好的抗盐阻隔性。然而，由于热传导损失增加，这些膜状吸收剂的太阳能蒸发效率相对较低。为了保持热定位，陈等提出了一种具有拒盐蒸发设计的漂浮式太阳能蒸发器，可以同时实现拒盐和好的热管理。

尽管取得了这些进展，但在该领域人们需要做出更多的努力来解决盐堵塞问题，同时保持高蒸发效率以及在高浓度盐水和太阳辐射等恶劣条件下的长期稳定性。应该注意的是，如果产生盐而不是清洁水是装置的目的，则盐阻塞现象可能是有益的。

图9. 增强太阳能蒸发的宏观3D吸收器设计。

最近，通过在宏观尺度上将吸收器的结构从传统的平面装置改变为3D结构，可以实现几乎等于或甚至大于100％的太阳能蒸汽效率，这提出了一种改进太阳能蒸汽性能，甚至超出当前传统太阳能蒸发器效率的新方法。使用3D结构可显著增加蒸发表面积，从而为每单位面积提供更多的蒸发界面。朱等人研究表明，传统的太阳能吸收器通常专注于提高太阳热效应以提高蒸发速率，但吸收器的较高温度会导致能量损失到环境中。通过使用具有精心结构设计的3D吸收器，由于蒸发冷却效应，蒸发器的未辐照表面温度可低于周围环境的温度，这允许蒸发器从环境中吸收热能。在这种情况下，太阳能蒸汽过程中的总能量输入等于入射太阳能加上来自环境的热能，从而使太阳能蒸汽效率超过理论极限。

太阳能蒸发器的应用

太阳能蒸发方面取得的巨大进步为促进可持续能源和水在各个领域的实际应用提供了很好的机会。太阳能蒸发系统中各种形式之间的质量和能量转移和转换使得该技术能够将未净化的水（例如，海水，废水和污染的水）转换成清洁的水，并将太阳能转换成其他形式的能量（例如，热，化学，电能和机械能），可以很容易地收集和储存，以供进一步使用。在本节中，我们将讨论太阳能蒸发的潜在应用，包括废水净化和海水淡化，发电，化学燃料生产和太阳能蒸汽灭菌。

图10. 太阳能蒸发应用于海水淡化。

近来，随着光热材料合成和太阳能蒸发结构设计的巨大进步，人们越来越关注太阳能海水淡化系统的开发，其具有改进的太阳能蒸发效率，小型化结构和可承受的成本。例如，朱等报告了一种便携式浮动蒸发器用于太阳能海水淡化，其具有广泛的太阳能吸收（~96％）。通过将Al纳米颗粒自组装成市售的3D多孔膜来制备吸光剂。照射后，Al纳米颗粒的等离子体杂化和局部表面等离子体共振导致吸收体的局部加热，使得在4个太阳照射下产生5.7 kg m -2 h -1的稳定蒸汽。收集到的水离子浓度大幅度降低，符合饮用水标准。人们还报道了木膜，海绵，气凝胶，纺织品，纸和多层集成结构形式的其他蒸发器，具有优异的除盐效果。

图11. 由盐度梯度，蒸汽蒸发和摩擦电纳米发电机（TENG）引发的太阳能海水淡化和发电混合系统。

从能量转换的角度来看，太阳能蒸发过程也是一种有效的能量收集方法，它将太阳能转换成热能，以热蒸汽或水的形式储存。然而，太阳能输入和我们收到的最终冷水之间存在巨大的能量浪费。在太阳能蒸发过程中合理利用或节约能源将为处理水和能源短缺带来更多机会。最近，周的小组提出了一种混合系统，可以产生1 W m -2的电力，同时显示出高蒸发效率。额外的功率来自蒸发器引起的盐度梯度，作者声称理论上可以在1太阳辐照度下的太阳能蒸发过程中在表面和本体溶液之间产生12.5 W m -2的实时盐度功率。但由于集中区域没有任何离子通过Nafion®，从盐度发电中回收的实际电力实际上不到10％。Ho等人通过使用独立的单片碳海绵蒸发器设计将太阳能驱动蒸馏与发电相结合，成功地实现净化水和电能的收集。热蒸汽中的热能也可以通过热电纳米发电机、热电模块和摩擦电纳米发电机来收获。

太阳能蒸发还表现出将太阳能转换为其他形式的能源的巨大潜力，例如通过化学能和机械能。除了水和能源的产生，太阳能蒸发也显示出响应全球公共医疗和健康需求的巨大潜力，如太阳能蒸发杀菌等。

挑战与展望

在过去的十年中，在光热和基体材料的开发以及涉及光吸收，水输送，隔热和界面性质的各种结构工程策略方面取得了巨大成就。虽然有新兴的应用利用这种有趣的技术，但仍有一些挑战需要进一步研究，以实现太阳能蒸发并使社会大众受益。有必要进行基础研究和实际探索，以使这种清洁，绿色和可持续的技术成为可能。

标准化测量和评估；
长期运行期间对水，热，盐，细菌和天气的多级稳定性
针对实际应用的大规模且经济高效的生产
进一步理解太阳能蒸发材料与结构的结构-性质关系
探索新材料和结构设计
探索新功能和应用

图12. 未来太阳能蒸发材料和结构设计的蜘蛛图表的示意图，其必须平衡效率，成本，可扩展性，稳定性和适应性，以开发商业上可行的太阳能热系统.

全文小结

对不同光热材料及基体材料的发展脉络进行了详细梳理，重点阐述了吸光材料不同的光热转化机制和基体材料的设计原则；
系统地分析了太阳能辅助水蒸发器的材料和结构设计原则和工程设计策略；
总结分析了太阳能辅助水蒸发的应用开发，及对其未来更广阔的发展前景进行了展望；
指出太阳能辅助水蒸发技术基础研究和产业化方面面临的挑战，并探讨了解决挑战的可能思路和方向，展望了未来的发展前景。

鉴于来自太阳能和各种水源的丰富，可再生和广泛分布的资源，这种绿色工艺零碳足迹和简单的操作，没有复杂的设施，使太阳能蒸发成为清洁水、能源和燃料生成的最有前途的技术之一。尽管在各个方面存在多重挑战，但我们预计未来十年将见证这种绿色技术在各种应用领域的蓬勃发展，在应对全球危机，特别是全球水资源短缺和清洁能源需求日益增长方面发挥关键作用。通过大量努力弥合最先进的太阳能蒸发系统与未来规模化且具有成本效益的实际应用之间的差距，该技术将能够在未来几年内平衡效率，成本，规模化，稳定性和适应性。

参考文献

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作者简介

通讯作者-胡良兵教授：马里兰大学帕克分校材料科学与工程系教授。胡教授的研究主要集中于纳米材料及天然高分子基材料的先进制造及其在柔性电子、环境和能源领域的应用，目的是利用纳米技术操纵电子，离子，光子，声子和机械性能，实现多功能性。他的团队发明了透明木材，超强木材，超级保温木材，超柔软木材，木基电池，木基太阳能蒸发器等，并在《Nature》，《Science》，《Nature Energy》，《Nature Materials》，《Chem》，《Joule》等高影响力期刊上发表了300多篇该领域的研究论文。研究成果多次被Nature、麻省理工科技评论、美国之声、美国能源部通讯简报、科学美国人、Materials Today、c&en、新华网、人民网等杂志及媒体进行亮点报道。

第一作者-陈朝吉博士：马里兰大学帕克分校博士后，合作导师胡良兵教授。目前主要从事天然高分子基，特别是木材基材料的多尺度结构改性及其在能源、环境、轻质结构材料、热管理、离子传导等领域的功能化应用开发。迄今在国际著名学术期刊上发表（共同）第一作者论文30余篇，包括《Nature》、《Joule》、《Chem》、《Nature Communications》、《Accounts of Chemical Research》等。申请美国专利2项。

课题组简介

BingNano课题组是由胡良兵教授创建并领导的前沿科学问题研究团队，聚焦于能源、环境和柔性电子产品的材料创新和前沿基础科学技术问题研究。通过学科交叉分别从材料、器件和系统层面提出整体解决方案，从而推动相关技术领域快速地取得突破性进展。我们寻求了解和探索具有大纵横比的新兴纳米材料的特征，例如纤维，管和片及其混合物。我们对纳米级基础科学和通过纳米制造的大规模应用感兴趣。我们的目标是通过合理组装来操纵电子、离子、光子、声子和机械特性以实现多功能。

我们目前的研究兴趣包括：