第一作者：吴倚天
通讯作者：庞亚俊，Swee Ching Tan，陈浩
通讯单位：浙江农林大学（第一单位），新加坡国立大学
论文DOI：10.1039/D4EE04201H
利用太阳能界面蒸发从海水中提取资源是环保和可持续的资源获取方法。然而，界面蒸发过程伴随着海水中盐分的析出，这极大降低了蒸发器的工作效率和稳定性。在此，作者提出了非对称蒸发的概念，利用非对称蒸发调控蒸发表面不同区域的水分供应/损失比，从而提高特定方向上的盐浓度梯度。因此，盐分能够自动选择性地在蒸发器的一侧边缘析出并脱落，有效避免了盐分对蒸发器工作区的附着和污染。此外，利用非对称蒸发诱导的水分和离子定向移动特性，结合水凝胶带电框架的辅助作用，成功将海水蒸发过程中产生的能量有效转化为电能。得益于独特的设计，非对称蒸发蒸发器（AEE）同时实现了高效的淡水（1.79 kg m-2 h-1）、固态盐（40 g m-2 h-1）和电能（350 mV，8.4 μA）的获取。
在资源短缺的当下，从储量丰富的海水中提取淡水、盐和电能等基本资源对于人类的生存和发展至关重要。太阳能界面蒸发技术，以其绿色、可持续的特性，仅需太阳光作为唯一能量来源，便能够从海水中提取出宝贵的淡水。然而，海水蒸发淡化过程伴随着盐分的析出，难以清除的盐分会附着在蒸发器的工作区，极大降低工作效率和稳定性。此外，太阳能界面蒸发系统中涉及到各种能量的转换，如何有效捕获海水蒸发过程中产生的能量也是一大挑战。
1）作者提出了非对称蒸发的概念，并利用非对称蒸发调控蒸发界面不同区域的水分供应/损失比，从而控制了蒸发界面上的盐浓度分布，形成特定方向上的盐浓度梯度。
2）得益于非对称蒸发，此设计的蒸发器可以同时从海水中高效获取淡水、固态盐和电能。相比于对称蒸发器，在保证水分供应的前提下，非对称蒸发器蒸发界面的总体含水量更低，从而能获得更高的蒸发速率。边缘结盐的特性利于盐分在重力作用下自然掉落。同时盐分从一侧排出的设计也可能降低了发电过程中离子的反向扩散，从而提高发电性能。
3）所制备的蒸发器具备优异的耐久性，可以在1个太阳模拟阳光下连续工作1800小时。
利用非对称蒸发可以调控蒸发器中的盐浓度梯度，从而实现盐分从蒸发器单侧边缘析出，并随重力自然掉落。同时，带电水凝胶的引入起到了阴阳离子筛分的作用，从而将离子定向移动的动能转化为电能。最终，得益于非对称蒸发，非对称蒸发蒸发器的各项性能对比对称蒸发蒸发器有着明显的优势。
通过对天然竹纤维进行简单的成型、碳化和表面聚丙烯酰胺水凝胶改性，即可获得成本低廉但性能极佳的光热材料PAM-CBF disc。水凝胶的Zeta电位表明其表面带正电，可以排斥阳离子，让更多阴离子通过。吸收光谱、表面温度测试和接触角证明了该材料作为太阳能蒸发光热材料的优越性。理论模拟则证明了盐浓度梯度可通过非对称蒸发成功地调控。此外，非对称蒸发器表面更低的含水量也意味着更高的蒸发速率（在光热面面积相同的情况下，吸收等量的太阳能，加热更少的水）。
本研究通过水分输运材料和光热材料间的相对偏移实现非对称蒸发。通过对比发现，过度的偏移（100%）会导致蒸发面盐分析出从而降低蒸发器性能。从蒸发测试中可以看出，适度偏移的蒸发器展现了最佳的蒸发速率（1.79 kg m-2 h-1）和光-汽转化效率（94.4%）。同时，其还可实现海水淡化、染料净化和抗生素分离等功能。
非对称蒸发蒸发器可实现盐分的自然掉落收集。且其具备极为优异的耐久性，可以在模拟太阳光下连续工作1800小时。室内和室外的放大实验则进一步证明了其应用潜力。
通过对测试条件的控制，可以发现只有同时满足非对称蒸发和使用盐水（海水）时，蒸发器才能产生客观的电信号。结合水凝胶表面带正电的特性，非对称蒸发蒸发器的发电机理可以被归纳为非对称蒸发驱动的定向阴离子（氯离子）流动。此外，光照可大大增强其电能输出，尤其是电流。这是因为光照增强了蒸发作用，从而大大提升了液体的流速，这一点可以被模拟证明。基于非对称蒸发器的系统还展现了优异的耐久性、可拓展性和实际应用潜力。
本工作采用非对称蒸发模式，使光热转换界面加热较少的水量，从而加速海水蒸发过程，并调节盐浓度分布，实现固体盐的受控沉淀、自动落下和特定区域内的有效收集。通过采用该模式，AEE有效避免了表面盐覆盖的不利影响，具有优异的蒸发性能（蒸发速率：1.79 kg m-2 h-1，太阳能转化为水蒸气的效率：94.4%）和显著的盐收集能力（280 g m-2 day-1）。此外，通过加入带正电的PAM凝胶来产生区域离子浓度差，AEE有效地将海水流动和蒸发过程中的能量转化为电能，产生~350 mV的电压和~8.4 μA的电流。利用这些优势，AEE 可以高效地同时从海水中提取淡水、固体盐和电能，且具有长期使用、实际应用和扩大规模的良好潜力。这项研究有望激发高效提取海水资源的创新理念，并促进多功能太阳能蒸发器的设计和发展。
Yitian Wu,a Chaoliang Ma,a Kangxin Zhu,aLizheng Jin,a Lvfu Song,a Lanze Li,a Yingzhuo Lu,a Yu Zheng,a Yaoxin Zhang,bc Xin Zheng,aSai Wu,a Yajun Pang,*a Zhehong Shen,a Swee Ching Tan,*b and Hao Chen*a. Asymmetric Evaporation for Efficient and Simultaneous Extraction of Freshwater, Salt, and Electrical Energy from Seawater. Energy & Environmental Science
文章链接：https://doi.org/10.1039/D4EE04201H
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