中大新聞網訊（通訊員翟文濤）2022年11月15日，聯合國正式宣布世界人口突破80億。面對人們日益增長的用水需求和水資源短缺的全球性挑戰，太陽能驅動海水淡化技術被廣泛認為是解決此類問題的關鍵途徑之一。強化熱局部化和促進鹽循環是提高太陽能驅動蒸發器蒸發效率的重要手段。然而，強化蒸發器的熱局部化不可避免會導致鹽結晶，而強化蒸發器的鹽循環不可避免會加速熱流失。熱局部化和鹽循環之間的權衡效應普遍存在于現有的太陽能驅動蒸發器，嚴重阻礙了它的實際應用。我們假設能夠打破這一權衡效應的理想蒸發器必須同時具備強化熱局部化的隔熱結構和促進鹽循環的高效輸水通道。遺憾的是，如此復雜結構的構筑仍然是一個巨大的挑戰。
有鑒于此，中山大學材料科學與工程學院翟文濤教授團隊通過連續定向冷凍鑄造技術制備了一種自站立和自漂浮的3D太陽能驅動蒸發器。這種新型蒸發器由有序的水通道和隔熱的泡沫珠粒組成。得益于有序水通道的快速水輸送和泡沫珠粒的隔熱作用，該太陽能驅動蒸發器實現了在不影響供水的前提下切斷光熱轉換區的熱量向海水傳遞的熱過程，打破了傳統蒸發器長期存在的鹽循環和熱局部化之間的權衡效應。此外，有序輸水通道的毛細作用和泡沫珠粒提供的浮力賦予了自漂浮太陽驅動蒸發器較大的暴露高度。大的暴露高度有利于增大蒸發器的界面蒸發面積并賦予其收集環境能量的能力，使蒸發器的solar-to-vapor轉換效率突破100%的理論限制。相比于傳統蒸發器，所開發的新型蒸發器能夠顯著提高海水的蒸發效率并保障長期脫鹽的穩定性。這個研究提出了一種全新的太陽能驅動蒸發器結構及其構筑方法，也為下一代高效耐鹽蒸發器的結構設計提供了一種關鍵的見解。
圖1 太陽能驅動蒸發器的構造示意圖。
圖2 太陽能驅動蒸發器的構筑及其微結構。
相關研究以題為“Bioinspired Self-Standing, Self-Floating 3D Solar Evaporators Breaking the Trade-Off between Salt Cycle and Heat Localization for Continuous Seawater Desalination”的文章發表在Advanced Materials上。中山大學材料科學與工程學院翟文濤教授為通訊作者。該工作得到國家自然科學基金的支持。
