智慧“盐”舞，动态“蒸”“现”: 自适应动态温控光热界面水蒸发器的研究
Figure 1. 界面太阳能蒸发技术的开发过程-从机理到设备到清洁水。(图来源Nat Water 1, 587–601 (2023).
近年来，界面太阳能蒸发技术，以其创新的清洁水收集方式，为海水淡化等应用开辟了新途径（Figure 1）。然而，技术推广面临的核心挑战是盐分积累，这加剧了设备腐蚀、效率衰退，影响系统稳定性，导致运维成本上升。特别是在高盐度和有机物污染条件下，实现高效自维持的太阳能蒸发仍极具挑战。
加拿大滑铁卢大学Michael Tam教授团队联合香港理工大学王钻开教授团队，共同开发了一种双层结构的太阳能蒸发器（SDWE），配备温度感知的动态亲疏水转换系统，能够自主切换高效薄水层蒸发和盐清洗模式。不同于以往的定型式构太阳能蒸发器，我们的SDWE具有可切换的水传输通道，能根据蒸发过程中温度的变化自适应调整，从而在高盐浓度的盐水中持续提高蒸发效率。作者运用热响应花粉颗粒充当可切换的水门，巧妙设计了一种具有动态流体流动机制的双层结构太阳能蒸发器（SDWE）。可通过捕捉蒸发过程中的温度波动，切换供水通道，实现光热下的薄层水快速连续蒸发和盐污染下的大水流自清洁。实现了3.58 kg m-2 h-1长期高效蒸发水收集,对开发适用于海水淡化和高盐废水处理的蒸发器提供了新设计思路。这种动态水传输机制优于传统的昼夜循环，具有固有的热适应性，能够实现连续、高效的蒸发，为下一代太阳能驱动蒸发技术提供了新的可能。相关成果以“Thermo-adaptive interfacial solar evaporation enhanced by dynamic water gating”为题发表在《Nature Communications》上[1]。
图文解析
研究者采用镍泡沫作为基底，制作了这种双层结构的蒸发器，并集成了两个关键组件：界面聚多巴胺纳米球组装层（PDA）和底部热响应花粉层（PNm-g-SEC）。具体而言，PDA层作为光热界面，而下层的热响应花粉颗粒充当可切换的水流通道。当温度超过PNm-g-SEC的低临界溶液温度（LCST）时，该层会转变为疏水状态，水通过芯吸附着在PDA通道流动，确保持续供应薄水层，加快蒸发效率。在较低温度下，PNm-g-SEC层变为亲水性，吸引大量水回流，清除积累的盐分。
Figure 2 展示了SDWE的结构设计和基本工作原理。
为了呈现和验证“动态水流控制”这一概念，作者对水在蒸发器中的流动进行了全面研究，利用共聚焦激光显微镜（如图3所示），观察了在不同形态条件下的动态水流动。 同时， 利用三维成像micro-CT定量分析水膜厚度（如图4所示）。
Figure 3 介绍了蒸发器中动态水流的工程化设计： a. SDWE中可切换通道内水传输的示意图。 b. 通过毛细力驱动的PDA组装微通道中的薄水层供应。 c.共聚焦显微镜图像显示p-SDWE中随时间变化的水流动/充盈过程：在20°C时，水填充镍泡沫的内部大孔隙。 d. 在36°C时，水沿着镍泡沫骨架上的PDA组装通道传输薄水层。
Figure 4 展示了不同温度驱动的水流动行为，水层厚度以及其对蒸发效率的影响： a. 在低温（20°C）下，整个泡沫结构被水填充。b. 在高温时，超疏水PN10-g-SEC层阻挡大量水，并通过p-PDA的薄水传输通道将水泵送至p-PDA层。 c. p-SDWE在太阳辐射下生成的水量变化。 d. p-SE在太阳辐射下生成的水量变化。 e. micro-CT测量的p-SDWE中的薄水层。
值得注意的是，与传统蒸发器依赖非交互式的盐排除过程不同，如昼夜清洗循环。这种热适应动态水控制系统创新性地引入了自清洁机制，利用蒸发过程中因结垢或盐积累导致的温度波动，进行有效的自主盐自清洗。当积累的盐影响系统的光热效率时，我们的SDWE结构的热响应层从超疏水状态转变为亲水状态，通过毛细作用有效去除污染物。当污染物被清除后，温度进一步升高，层结构从亲水性回到超疏水性，恢复薄水层蒸发模式，实现长期高效循环利用太阳能蒸发器。显然，这种系统大大优于仅依靠盐排除或昼夜清洗的传统蒸发器（如图5所示）。
Figure 5展示了p-SDWE的盐溶解和回流示意图并对比了现行的太阳能水蒸发器的长期循环效果：a-f. 模拟盐结晶实验装置示意图，通过红外相机追踪的温度分布和蒸发表面的顶视数字图像。 g. 在一个循环中p-SDWE的收集率变化与p-ShE和p-SE的对比。h. 使用10 wt%模拟海水的长期循环性能，其中p-ShE作为参照样本，代表装饰有超疏水SEC层的蒸发器。
Figure 6说明了户外环境下的太阳能蒸发性能。
总结与展望：本文报道的“动态水流控制”概念和设计赋予蒸发器在高性能蒸发与有效清洁模式之间自主切换的能力，使设备具备灵活、主动、响应迅速的特性。展示了推动下一代太阳能驱动蒸发技术进化的巨大潜力，为丰富，开发清洁能源下的水收集系统点亮新思路[2]。
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相关文献链接
[1]Wang, Y., et al. Thermo-adaptive interfacial solar evaporation enhanced by dynamic water gating. Nat Commun 15, 6157 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41467-024-50279-z
[2] Wang, Y., et al. Biomimetic surface engineering for sustainable water harvesting systems. Nat Water 1, 587–601 (2023).
https://doi.org/10.1038/s44221-023-00109-1来源：高分子科学前沿