第一作者：武萱，吴志清，王艺达
通讯作者：徐浩兰，李勤
通讯单位：南澳大学，格里菲斯大学
论文DOI：10.1002/advs.202002501
光热驱动界面水蒸发是一种高效可持续的水处理技术，可用于制备清洁水和加速工业废水蒸发。在过去的几年里，世界各地的科研实验室都在致力于提升光热界面水蒸发的蒸发速率和能量转化效率。然而由于在光热蒸发过程中蒸发表面的温度往往高于周围环境温度，会不可避免地引起从蒸发表面到周围环境的能量损失。因此从热力学角度来说，要完全消除这种能量损失很难实现。在这个工作中,作者发展了一种类似于散热器结构的光热蒸发器成功的实现了零能量损失光热水蒸发。实验发现，在光热蒸发过程中，顶部光热蒸发表面的温度可以通过调节“散热片”蒸发面的数量加以控制。当“散热片”蒸发面的数量增至5到7片时，蒸发器上表面的蒸发温度可降至室温以下，从而彻底消除了光热蒸发器经热辐射，热对流和热传导向周围环境的能量损耗，首次实现了1个太阳光强度下零能量损失和全冷蒸发。同时由于蒸发器所有蒸发表面温度均低于环境温度，使蒸发器能从环境中吸取大量的额外能量（4.26W），达到入射光能的1.7倍，从而极大地增强了光热蒸发速率和效率（4.10kg m-2h-1)。
近几年发展的光热驱动界面水蒸发是一种利用太阳能制备清洁饮用水的绿色技术。过去几年中，科研工作者们通过巧妙的材料和结构设计，大幅提升了光热蒸发器的蒸发效率。比如从起初的二维平面漂浮蒸发结构，到引入水通道从空间上隔断光热蒸发面与水体的直接接触，进而发展到一系列新型的三维蒸发器，通过优化蒸发装置的结构，从而在增强光吸收的同时，减少能量损失可额外从外部环境中摄取能量，以提升光热蒸发的能量转化效率。然而在一个太阳强度照射下，由于光热蒸发表面温度通常高于环境温度，要实现蒸发体系零能量损失很具挑战性。
在电器设备中，散热器被用于将运转产生的热量快速传导耗散至空气中来给电器设备降温。受散热器的启发，在这个工作中，作者以具有一定柔韧性与强度的竹纤维纸为基底，以甘油为原料制备的多孔碳(PCCs)作为光吸收材料，设计并制备了仿散热器结构的光热蒸发器。在蒸发过程中，蒸发器上表面将吸收的太阳光能转化为热能驱动界面水蒸发，其中过剩热能被传至下方连接的“散热片”蒸发面上从而使上表面温度下降，通过调节“散热片”蒸发面的数量，上表面的蒸发温度可降至室温以下。不同于商用散热器将热量直接耗散至空气中，该蒸发器可有效地将从上表面传导来的热量用于促进“散热片”蒸发面上的水蒸发。整个蒸发器的所有蒸发面的温度都低于环境温度，从而完全消除了能量损失。反之，该蒸发装置可从环境中额外摄取大量能量来提高蒸发速率。
本工作中报道的光热材料的制备方法操作简单。如图1所示，PCCs作为主要的光吸收材料首先被分散在作为黏附剂的琼脂溶液中，然后将搅拌均匀的混合溶液均匀喷涂在竹纤维布基底上，经冷冻干燥和简单冲洗即可得到所需光热材料。
图1.（a)PCCs-竹纤维布光热材料的制备示意图。（b)制备所得的光热材料。（c)竹纤维布的SEM照片，（d-f）制备所得光热材料的SEM照片。
图2表明制备所得的光热材料亲水性强，垂直传水速度快，有利于光热蒸发过程中水的供应。同时材料具备良好的机械强度和稳定性，且柔韧可反复折叠，便于储存及重复使用。
图2.(a) 光热材料的接触角测试。（b)竹纤维布与光热材料传输水对比。（c）光热材料可抗1.0kg 重量拉伸。（d）将光热材料置于水中超声处理，无黑色材料剥落。（e）光热材料可反复折叠。
图3展示了散热器结构的光热蒸发器的设计和制备过程。通过调节“散热片”蒸发面之间的间距,可以调节“散热片”蒸发面的数量。以竹纤维布为基底的光热材料亲水性强，能够快速将水经“散热片” 蒸发面传输至顶部光热蒸发表面。
图3.仿散热器结构的光热蒸发器结构示意图。
图4显示通过调节PCCs的用量，光热材料的光吸收性能得以大幅提升。在无光照条件下，蒸发器表面水蒸发（即暗蒸发）使整个体系表面的温度低于室温。作者对比了不同“散热片”蒸发面数量的蒸发器在1个太阳强度光照下的蒸发表现。实验结果显示，不同于普通圆柱式蒸发结构（其上表面蒸发温度始终高于环境温度），仿“散热器”结构的蒸发器上表面的蒸发温度随“散热片”数量的增加而下降。当“散热片”蒸发面的数量为5和6时，蒸发器上表面的温度分别为23.3和22.7度，显著低于环境温度（25度）。有意思的是，当继续增加“散热片”的数量至7时，蒸发器上表面的蒸发温度回跃至23.9度，但仍低于环境温度。造成这一温度回跃的原因可能是当“散热片”蒸发面之间的间距缩小到一定程度时，产生的蒸汽的积累使湿度升高，致使蒸发减慢，热量消耗下降，一定程度上抑制了上表面热能的下行传输。实验发现，所有蒸发器的蒸发面温度均低于环境温度，从而不仅完全消除了能量损失，又可以从环境中吸取额外能量用于蒸发。蒸发速率测试显示，蒸发器的蒸发速率随“散热片”数量的增加而增高，分别为2.89(4片)，3.48(5片)，4.10(6片)和4.32(7片)kg m-2h-1,普遍高于普通柱状蒸发器（2.65kg m-2h-1)。
图4.（a）竹纤维布与不同PCCs浓度的光热材料光吸收曲线图。（b，c）光热蒸发测试装置图。（d）仿散热器结构的光热蒸发器初始状态以及1个太阳光强度照射下30分钟后表面红外温度图。（e）1个太阳光强度下，不同蒸发器上表面温度随时间变化曲线。（f）不同蒸发结构的蒸发速率。
图5对光热蒸发过程中蒸发器表面的能量分布与能量传递进行了模拟。以6片“散热片”结构为例，从图中可以看出，“散热片”蒸发面的表面温度既低于上表面温度，又低于下方水体温度，因而致使上表面的能量下行传输、水体能量上行传输给“散热片”结构。能量计算显示，该蒸发体系从环境中吸取了约4.26W的能量用于加速水蒸发，远高于所吸收的太阳光能（2.4W)。
图5.散热器结构蒸发器在1个太阳光照下，温度与能量分布、传递模拟图。
图6展示了散热器结构蒸发器用于海水蒸发的实验结果。如图所示，这一蒸发器能有效降低海水中主要离子的浓度，所得的蒸发水的水质达WHO可饮用水标准。循环测试显示该蒸发器能够持续稳定的进行光热水蒸发。
图6.散热器结构蒸发器用于海水蒸发。（a）海水与蒸发所得洁净水中离子浓度。（b)蒸发速率稳定性测试。（c）蒸发收集水装置。（d）户外测试温度与光强度。
这个工作报道了一种新颖的仿散热器结构光热蒸发器，首次实现了一个太阳强度照射下零能量损耗的光热蒸发。此外，该蒸发器可从环境与水体中额外摄取大量能量，从而极大地提升了界面水蒸发速率。该蒸发器结构简易，上表面吸收光能转化为热能，富余的热能下行传输至与上表面相连接的“散热片”暗蒸发面，从而降低上表面的蒸发温度并促进“散热片”蒸发面上的水蒸发。通过调节“散热片”蒸发面的数量，上蒸发表面的温度可被降至室温以下，因此使上蒸发表面的能量损失降为零。同时，由于所有蒸发面的温度均低于环境温度，因此整个蒸发器可以从环境以及下端水体中摄取额外的能量用于水蒸发，从而极大地提升了光热水蒸发的速率。以一个太阳光强度下6片“散热片”的结构为例，该体系从环境摄取的能量约为光能的1.7倍，光热水蒸发速率高达4.1kgm-2h-1。海水淡化检测显示，蒸发收集的洁净水中Na+的浓度仅为12.56 ppb, 实现了高效优质海水淡化，应用前景广阔。
南澳大学徐浩兰副教授,格里菲斯大学李勤教授为论文的通讯作者，南澳大学研究员武萱博士，格里菲斯大学博士生吴志清,南澳大学博士生王艺达并列为本文的第一作者。该工作得到了澳大利亚研究理事会，中国国家留学基金委奖学金，南澳大学基础研究序列基金以及黑龙江省华升石墨股份有限公司的大力支持。
Xuan Wu, Zhiqing Wu, Yida Wang, Ting Gao, Qin Li, Haolan Xu, “All-Cold Evaporation under One Sun with Zero Energy Loss by Using a Heatsink Inspired Solar Evaporator”, Advanced Science,2021,8, 2002501.
