太陽能水蒸發器的案例
四川大學陳思翀教授團隊在高效太陽能水蒸發器上取得進展
大量粘附在PU骨架上的親水性PDA中空管可以通過毛細管作用將水快速的輸送至器件的上表面，進而結合PDA的光熱轉換和水合作用實現高效的太陽能水蒸發。與此同時，裸露于液面以上的器件側表面所粘附的PDA-t還可以利用水蒸發過程的吸熱作用從環境中獲取熱量，進一步提升SVG效率。根據器件裸露在液面之上的高度不同，其表觀SVG效率可高達2.5~3.6 kg m-2 h-1。
圖2 (a) PDA-t@PU三維太陽能蒸發器示意圖. (b) 不同液面裸露高度條件下PDA-t@PU蒸發器的水失重率. (c) PDA-t@PU蒸發器的表觀SVG速率、上表面SVG速率及側表面SVG速率. (d) PDA-t@PU蒸發器表觀SVG速率與文獻比較.
與此同時，他們還研究了室外光照條件下PDA-t@PU三維太陽能蒸發器的實際表現。結果表明即使在陰云較多，光照條件不好的情況下（0.2標準太陽光強度），PDA-t@PU蒸發器的表觀SVG速率仍可達到1.37 kg m-2 h-1。此外，得益于優異的水輸送性能，PDA-t@PU蒸發器可以長時間處理模擬海水而不發生表面鹽沉積和蒸發效率下降。即使對于高鹽濃度的鹵水，蒸發器表面沉積的少量鹽也可以在停止光照的暗室條件下重新溶解而清除。這些結果都說明PDA-t@PU蒸發器具有非常高的實際應用價值，該研究為太陽能水蒸發器的多功能集成設計和協同增效提供了新的思路。
圖3 (a) PDA-t@PU蒸發器在室外的太陽能水蒸發表現 (2021年5月23日, 北京時間 9:00–19:00, 四川大學，成都).
展開 美國東北大學鄭義教授課題組JMCA：在基于海洋生物材料的水凝膠太陽能蒸發器上取得進展
界面蒸發太陽能海水淡化對于緩解全球淡水危機來說是一種很有前景的低成本方式。近年來，因其能有效降低水的蒸發焓而顯著提高水的蒸發效率，水凝膠逐漸成為一種廣受歡迎的太陽能驅動的界面蒸發器的制作材料。但是對于蒸發器來說，在追求高效的蒸發表現的同時，材料的可持續發展性也備受關注，尤其考慮到蒸發器在工作狀態中的生物適應性，可持續性，無毒性和在報廢狀態下的生物可降解性。
對此，鄭義教授團隊聯合National Renewable Energy Laboratory (Dr. Shuang Cui) ，Marine Biological Laboratory (Prof. Joseph A. DeGiorgis) 和Providence College (Prof. Yinsheng Wan) 制作了完全基于殼聚糖 (CS) 和墨魚汁粉末 (CI) 的多孔結構的水凝膠可作為高效穩定的具有排鹽能力的太陽能蒸發器。在一個太陽照射下，蒸發速率高達4.1 kg m-2 h-1 (圖1) 。
圖1. 完全基于海洋生物提取物的CI/CS太陽能蒸發器的示意圖。
圖2. CI/CS水凝膠的制備流程圖。
該太陽能界面蒸發器是以基于殼聚糖的水凝膠為主體進行海水的輸送和熱量的積聚，混合以黑色的墨魚汁粉末作為光熱材料進行太陽輻射的吸收并將之轉化為熱能，最后采用凍干的方式使其產生三維的內部相互交通的多孔性結構 (圖2)。殼聚糖是一種多糖材料，來自于甲殼素的 N-脫乙酰化，是自然界中存在豐富的氨基多糖，主要是從甲殼類動物 (如螃蟹和蝦) 提取而來。
展開 東南大學代云茜：全天的太陽能蒸發平臺，可從微塑料污染中收集清潔水
【科研摘要】
太陽能驅動的蒸發
對于可持續的淡水生產且無高能耗非常有希望。到目前為止，在一臺蒸發器中既要實現高性能又要具有成本效益仍然是一個挑戰。此外，鮮有報道的策略克服了水源中出現的微塑性污染和全天蒸發不佳的障礙。最近，
東南大學
代云茜教授
團隊
通過
簡單地拉伸棉花就可以容易地構建低成本，高效，生物質衍生的具有梯度垂直微通道的三維（
3D）石墨烯/
棉海綿
。
它是一種多功能的光熱平臺，具有高蒸發速率
（2.49 kg m
-2
h
-1
，垂直于頂面和側面），并且可以承受高達其重量8750倍的大外部應力。此外，在首次嘗試從微塑料污染源中有效蒸發水（90.6％）的
過程中，通過
3D MoS
2
/石墨烯/
棉花
通過活性氧物種攻擊和多重吸附，從蒸發水中去除了近100％的聚乙烯（PE）微纖維
。
采用新的原位FTIR顯微鏡技術來準確監測PE微塑料的降解機理。在富含氧氣的水中，PE的降解效率高達19％，主要是由反應性O
2
引起的，并且可以在1小時內借助其他反應性物質（例如˙HOO和H
2
O
2
）輕松提高到32％ 。此外，在有限元分析（FEA）的指導下，相變聚乙二醇（PEG）層在石墨烯/棉的外部進行了功能化。值得注意的是，它通過在黑暗中利用熱能，具有極高的全
天蒸發速率（每天每平方米每小時
1.63千克，是不具有相變功能的傳統蒸發器的1.42倍）。這項工作提供了有前景的替代策略，即使在黑暗條件下，也可以從微塑性污染和可持續蒸發中低成本收集干凈的水。
展開 上海交大鄧濤/陶鵬團隊《Nano Energy》：可同時進行高通量太陽能光熱凈水和發電的聚合物海綿蒸發器
CNT-PP-PVA海綿的太陽能蒸發性能：（a）太陽能驅動光熱蒸發和發電實驗裝置示意圖；（b）不同太陽光強下，純水蒸發質量的變化；（c）純水蒸發性能與現有文獻報道對比；（d）不同光強下CNT-PP-PVA蒸發溫度變化；（e）一個太陽光照前后CNT-PP-PVA海綿的紅外照片；（f）2D和3D太陽能光熱蒸發結構對比示意圖；（g）一個太陽光強下海水蒸發質量變化；（h）一個太陽光照下，海水蒸發性能與現有文獻報道對比；（i）3.5 wt%鹽水蒸發速率的變化，紅線為平均蒸發速率，內置圖片顯示蒸發表面沒有結晶鹽析出。
圖5. 太陽能光熱驅動鹽水蒸發產生電能：在一個太陽光強下，蒸發去離子水和3.5 wt% NaCl溶液CNT-PP-PVA海綿的輸出電壓（a）和電流（b）；（c）CNT-PP-PVA海綿的發電原理示意圖；（d）不同電極間距的海綿蒸發器輸出電壓；（e）串聯不同數量CNT-PP-PVA海綿的輸出電壓。
圖6. CNT-PP-PVA海綿同時進行海水淡化和發電：（a）海水淡化和發電聯產裝置示意圖；（b）海水淡化前后離子濃度對比；（c）由三個串聯CNT-PP-PVA海綿蒸發器充電2200 μF電容器兩端的電壓變化；（d）由六個串聯電容器供電LED的發光示意圖。
原文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521011319
展開 
《Adv Mater》：一種可用于快速凈化飲用水的水凝膠材料！
f)ABH 和含活性炭水凝膠的純殼聚糖放置在含菌水中5天和 15 天前后的水分蒸發率。g) ABHs 在含菌河水中儲存 3 個月后的持續時間測試。每天包括 6 小時的水蒸發率持續測試。h) ABH 的能量效率和水蒸發率以及先前報道的具有不同抗菌機制的研究。
總之，研究人員通過聚合物骨架的分子修飾和原位凝膠化，制備了一種具有抗菌、抗生物污染、高水蒸發效率的抗菌水凝膠（ABH），其可用于水源的凈化與長期使用的太陽能水蒸發器。通過將兒茶酚基團接枝到 CS 骨架上，兒茶酚的自動氧化會產生過氧化氫作為副產物，從而滅活水中的細菌。醌功能化活性炭顆粒通過與細菌蛋白質和代謝中的巰基反應，進一步加速殺滅細菌。當直接用作片劑時，ABH 在環境條件下以零能耗在 60 分鐘內快速滅活 >99.999% 的細菌。作為簡單易用的水消毒和防生物污損蒸發器材料，ABH利用過氧化氫和醌基作為通用抗菌劑，在家庭或社區規模的實際水處理方面展示了巨大的潛力。（文：阿權）
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展開 華中大龔江研究員和長春應化所唐濤研究員：廢棄聚酯可控碳化構筑雙層太陽能界面蒸發器用于光熱海水淡化
圖2 調控ZnO比例催化PET可控碳化制備多孔碳的微觀結構和孔結構
圖3 雙層太陽能蒸發器界面產生蒸汽的機理
在制備的雙層界面蒸發器中，得益于高比表面積（1164 m2 g-1）、豐富的微/中/大孔、大量的含氧官能團，等級多孔碳表現出水分子限域效應，也即是在孔道中多孔碳的含氧基團可以與水分子形成氫鍵，減少水分子的氫鍵數目，從而降低水的蒸發焓。另一方面，木頭基體具有豐富的微孔通道和固有的超親水性，強大的毛細作用可以將水迅速泵送到蒸發界面（圖3）。由于這些特點，使得雙層太陽能蒸發器在1個太陽輻照度下具有較高的水蒸發速率（2.38 kg m-2 h-1，圖4），且海水中鹽的去除率超過99.9%。在海水傳輸過程中，微孔通道和納米孔道構建的濃度梯度可有效防止鹽分積累并確保快速排鹽，使該雙層太陽能蒸發器具有優良的長期穩定性和良好的耐鹽性。
圖4 雙層太陽能蒸發器用于光熱海水淡化
圖5 雙層太陽能蒸發器用于實際光熱海水淡化
為測試雙層太陽能蒸發器在實際中的產水性能，作者進行了光熱現場測試（圖5）。太陽光照射10 min后，在蒸發器的內壁觀察到大量水珠。即便是在0.1~0.5個太陽光強的輻照下，單位面積日淡水產量為3.65 kg m-2，因而按此放大1 m2，就能夠滿足一個成人一天的飲水量。該工作利用低成本的廢聚酯轉化為多孔碳與木頭結合構筑了一種新型雙層太陽能蒸發器，為建立可擴展、成本效益高的界面太陽能蒸汽生成系統提供了一種新的策略，為解決全球淡水短缺問題和白色污染問題提出了新的策略。
展開 浙江大學王樹榮教授團隊JMCA：一種新型具有Janus特性的生物質基復合氣凝膠，用作獨立式太陽能界面蒸發器
世界范圍內水資源短缺問題的日益加重促進了清潔高效的淡水供應技術的快速發展。從緩解能源危機和環境問題的角度來看，利用太陽能的光熱轉換驅動水快速蒸發是一種獲取淡水的有效手段。太陽能驅動的界面水蒸發目前被公認為是一種高效且可持續的淡水供應技術。然而，為實現高能量轉換效率，界面蒸發系統結構復雜，通常由幾個模塊組合而成，包括專門的水輸送、光熱轉換、熱管理和支撐部件。
近日，浙江大學王樹榮教授團隊以纖維素納米纖絲（CNF）作為基本骨架，Ti3C2Tx MXene作為光熱功能填料，通過預凍成型、溶劑交換、定向冷凍和凍干方法，開發了一種新型的具有Janus特性的生物質基復合氣凝膠，并將其用作獨立式太陽能界面蒸發器。此Janus結構CNF/MXene復合氣凝膠（簡稱為JCM氣凝膠）的上下兩部分具有相反的潤濕性，其下層為親水的CNF氣凝膠（簡稱為CA）可進行持續的水傳輸，上層為硅烷疏水改性的CNF/MXene氣凝膠（簡稱為CM氣凝膠）可進行光熱轉換并具有隔熱性。JCM氣凝膠獨特的Janus特性以及其內部的微通道結構使其能夠穩定地自漂浮于水面，并具有卓越的蒸發性能。在1個太陽光照下，JCM氣凝膠的水蒸發速率高達2.287 kg m-2 h-1，對應于88.2%的蒸發效率。此外，JCM氣凝膠在海水淡化應用中也體現了出色的耐鹽性和耐久性。
展開 水凝膠蒸發器凈化海水、廢水
清潔水循環利用是備受關注的世界問題。一直以來，人們呼吁將海水或廢水凈化，以減少能源消耗并降低對水環境的負面影響。太陽能的可持續性和環境友好性使太陽能蒸餾技術備受關注。經濟適用及高質量的太陽能凈水系統還需突破，以實現有效的能量收集，轉化以及高凈水率。為了克服太陽光散射而減少所提供的動力，各種吸光材料被開發，如通過調節納米材料的尺寸和形態來收集整個太陽光。近期，在《Advanced Material》上發表了”Biomass-Derived Hybrid Hydrogel Evaporators for Cost-Effective Solar Water Purification”。文中，作者報道了一種經濟節約、高水分蒸發率、可有效去除重金屬離子和有機色素的水凝膠蒸發器。
1、如何制造水凝膠蒸發器（HHE）
近期，在《Advanced Material》上發表了”Biomass-Derived Hybrid Hydrogel Evaporators for Cost-Effective Solar Water Purification”.作者將可再生生物質葡甘露聚糖（KGM）與太陽能吸收劑（鐵基金屬有機骨架（Fe-MOF））引入PVA網絡，從而形成了低成本的混合水凝膠蒸發器（HHE）（圖1）。由于出色的隔熱性能，KGM不僅有助于促進大孔/中孔結構的水傳輸，還為水凝膠提供了更多的水合能力，從而降低蒸發焓。另外，通過磁體輔助制造，可控制磁性太陽能吸收器的空間分布，以改善蒸發表面的熱定位，并將太陽能吸收器的使用量減少到目前水凝膠蒸發器的三分之一。 HHE成本低，每平方米僅為$14.9，每小時就可提供高達3.2kg的高水分蒸發率。
展開 浙江大學鄭強、吳子良團隊Macromolecules: 通過聚合誘導微相分離制備膠體網絡水凝膠
聚合過程中膠體網絡的形成機制
不同于傳統的膠體網絡水凝膠，所得到的PMAAc物理水凝膠在水中具有很好的穩定性，這主要歸因于PMAAc聚合物與TMEDA之間的氫鍵作用。PMAAc膠體水凝膠具有良好的機械強度，拉伸斷裂伸長率高達525%。在循環拉伸試驗中，凝膠的殘余應變可快速回復，這得益于獨特的膠體網絡結構，相對較弱的膠體粒子在拉伸時可高度變形為纖維狀，卸載后重新恢復到顆粒形狀（圖3a，b）。該膠體網絡凝膠也具有良好的壓縮性能，在500 N壓力下能夠保持完整，且在卸載后可完全回復至初始尺寸（圖3c，d）。
圖3. 膠體網絡水凝膠的力學性能
此外，這種膠體網絡水凝膠還被用于染料吸附以及太陽能水蒸發器的制備。這種在通過聚合誘導相分離的策略可推廣至其他具有強締合作用的體系，從而實現凝膠材料微觀結構與宏觀性能的設計與調控。
以上結果以“Stretchable Sponge-like Hydrogels with a Unique Colloidal Network Produced by Polymerization-Induced Microphase Separation”為題發表在《Macromolecules》上，并被選為封面文章。論文第一作者為浙江大學高分子系博士生張歆寧，通訊作者為吳子良研究員。該研究工作得到國家自然科學基金和浙江省科學自然基金的支持。
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