清华大学Nature子刊：太阳能解决淡水危机，首次提出动态蒸发！

水资源短缺正成为人类面临的全球性生态挑战。世界上超过三分之二的人面临缺水问题。界面太阳能水蒸发（ISSG）被认为是从海水或废水中获取淡水的一个有前景的解决方案。与传统的太阳能蒸馏相比，ISSG通过将太阳能热量集中在蒸发器表面附近来减少热量损失。

到目前为止，许多材料，包括金属纳米颗粒、碳质材料、二维（2D）材料和水凝胶都被用作蒸发器。同时，还提出了许多提高蒸发速率的有效方法，涉及三维（3D）ISSG、多级蒸发、供水控制、与化学相变和电热效应的协同作用、蒸发焓的降低等，蒸发性能的进一步提高遇到了瓶颈。传统蒸发器在结构上是固定的，不能拆卸和变形，因此通常会导致盐沉积并降低蒸发效率，尽管已经尝试了不同的策略，包括Janus结构、局部结晶，少接触蒸发、水对流和无芯水层。它们中的大多数仅涉及水的被动流体流动，水和盐离子的主动循环尚未报道，这可以解决被动对流中的缓慢扩散问题。另一方面，在这些静态蒸发系统中，蒸发速率在很大程度上受到蒸发表面周围积聚的水蒸气的限制，这是由于从蒸发器到周围的水蒸气扩散（WVD）不足造成的。为此，已经开展了先驱工作，用气流增强WVD过程，而强制对流效率低并且与当前的封闭设备不兼容。因此，促进WVD是进一步提高蒸发速率的关键，这至今仍是一个具有挑战性的问题。

成果简介

界面太阳能水蒸发是一种有效地从海水或污水中获取淡水的有前景的技术。然而，对于传统的静态蒸发模型，由于缺乏对蒸发过程中不断演变的水运动和相变的动态管理和自我调节，进一步的性能改进遇到了瓶颈。

近日，清华大学曲良体教授，程虎虎助理研究员和中科院力学研究所刘峰等人通过石墨烯包裹的Fe₃O₄纳米颗粒的可控和可逆组装，开发了一种具有锥形阵列（CA）的可重构和磁响应蒸发器。与传统的刚性蒸发结构不同，可变形和动态组件可以响应于可变磁场在宏观和微观尺度上重新配置自身。因此，内部水传输和外部蒸汽扩散同时得到极大促进，导致水蒸发率比静态时候高23%。

此外，精心设计的分级组件和动态蒸发系统可以将蒸发率提高到5.9 kg/m²/h的创纪录水平, 这一概念研究为具有动态重构和重组能力的高性能水蒸发系统的发展提供了新的方向。这项工作以“A reconfigurable and magnetically responsive assembly for dynamic solar steam generation”为题发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上。

图文导读

图1 可重构的动态水蒸发Fe₃O₄@G组装示意图

图2 制备和表征Fe₃O₄@G纳米颗粒

在这里，作者提出了一种通过石墨烯包裹的Fe₃O₄可逆组装的动态可重构太阳能蒸发器(Fe₃O₄@G)纳米颗粒。可以根据需要变形为各种形状。良好组装的CA组件具有优异的耐盐特性、再循环能力以及高蒸发率。可变磁场中CA组件的实时重新配置对周围大气造成了宏观干扰，极大地促进了WVD（图1b，c）。同时，在微观层面上，内部纳米颗粒在CA组件内自适应地重新排列，为有利的水输送建立物质的内部循环（图1d，e）。结果，与静态蒸发相比，蒸发速率提高了23%。基于Fe₃O₄@G静态蒸发率提高到4.80 kg m⁻²h⁻¹在1 kW m⁻²的一个太阳能辐照下，在动态蒸发过程中可以进一步提高到5.88 kg m⁻²h⁻¹的水平。这项概念验证工作为开发动态可调的先进太阳能水蒸发系统提供了一个新的视角。

得益于石墨烯包裹核壳结构，Fe₃O₄@G纳米颗粒具有显著的可逆特性组装和重新配置。典型的重新配置过程Fe₃O₄@G组装示例如图3a-c所示。首先，可以预先在左面板上构造独立的CA组件（图3a）。通过控制磁场和水含量，CA组件可以立即分解成悬浮液Fe₃O₄@G纳米颗粒，其自身可以变形以从左到右穿过狭窄的谷（图3b），表明其优异的变形能力。最后，再生的CA组件可以在右面板处再次构建（图3c）。可重构性Fe₃O₄@G由于以下因素实现了组装：（i）由于石墨烯的空间位阻和润滑效应，避免了不可逆聚集，（ii）由于表面亲水性的合理调节，构建了分级多孔结构，（iii）因此赋予了以下组件：Fe₃O₄@G具有拆卸能力以及优异的水输送能力。与纯Fe₃O₄纳米颗粒相比，在多次循环后没有观察不可逆聚集Fe₃O₄@G，由于奥斯特瓦尔德效应，成熟效应和不可逆聚集，纯Fe₃O₄纳米颗粒中形成了大颗粒。此外，在Fe₃O₄@G组件中形成了分级多孔结构。如图3d所示，CA组件具有由多个单独的锥形组件组成的周期性图案，其中定向槽从底部向上逐渐变细，导致水的快速输送（图3e）。

图3 Fe₃O₄@G组装体的重构行为

图4 CA组件的静态蒸发性能

图5 CA组件的动态蒸发性能

在图4a所示的传统设备中研究CA组件的静态蒸发。该组件位于玻璃纤维基材上，玻璃纤维基材几乎不吸收阳光。使用聚苯乙烯泡沫减少热损失，并使用棉花棒作为水路。由于组件的重新配置能力，可以将其制成不同的形状Fe₃O₄@G纳米颗粒。其中，CA组件的水蒸发率最高，高达1.77 kg m⁻²h⁻¹，比平面对应物高8%（图4b）。

图6动态蒸发增强效应的机理研究

图7 磁性分级组件的动态蒸发

作者还开发了基于可重构的动态蒸发过程Fe₃O₄@G组装体，如图5a所示，当施加可变磁场时，CA组件的方向改变为磁体的相反方向，导致周期性的圆周运动。相应的光学图像和SEM图像显示在图5b、c中。在旋转运动期间，宏观CA形状和微观分级多孔结构保持稳定，确保了扩大的蒸发面积和足够的水供应用于动态蒸发。如图5d所示，在1个太阳光照下，随着转速从0增加到100 rpm，蒸发速率线性增加，当转速超过100 rpm时，提高到2.05 kg m⁻²h⁻¹。在0.5–2太阳光照下，蒸发速率比静态蒸发和理论极限高约23%，表明动态蒸发过程大大促进了WVD过程以及蒸发性能。

得益于CA组件在宏观和微观尺度上的动态运动，有三个方面主要有助于蒸发增强：（i）不同倾斜角度下太阳光吸收的一致性，（ii）旋转期间促进的WVD，以及（iii）改善的热导率，由纳米颗粒的快速重排引起的水迁移和离子扩散。图6a显示了在1个太阳光强度照射下的温度升高曲线。倾斜和垂直状态下的CA组件呈现类似的高温，这表明当改变CA组件的方向时，对阳光吸收和太阳热效应没有干扰。从宏观上看，动态运动不仅将水蒸气从蒸发表面带走，而且还将CA组件暴露于具有较低蒸气压的大气中。因此，CA组件表面附近较低的水蒸气压力导致蒸发速率增加，这在原位红外成像监视器上得到了清晰的反映（图6b）。

与静态蒸发相比，在150 rpm的动态蒸发过程中，单个CA组件的平均温度从29.2°C降至27.8°C（图6c）。该趋势与蒸发速率的趋势一致（图5d）。因此，动态运动极大地促进了WVD，从而提高了蒸发速率。此外，温度分布图的较低斜率也表明，随着转速的增加，热导率越来越好。

总结展望

综上所述，作者开发了一种可重构的磁响应太阳能蒸发器，利用Fe₃O₄@G纳米颗粒。独特的由磁场诱导的锥形阵列（CA）组件赋予蒸发器优异的特性，包括良好的耐盐能力、充分的水传输、再循环能力以及高蒸发率。与传统静态蒸发相比，CA组件在宏观和微观尺度上的动态重构导致蒸发速率提高了20%以上。

此外，通过宏磁体与CA组件的合理组合，构建了复杂的分层组件，在1个太阳照射下，蒸发率达到创纪录的4.80 kg m⁻²h⁻¹。采用动态蒸发，蒸发率高达5.88 kg m⁻²h⁻¹。因此，可重新配置的动态可重构组件Fe₃O₄@G纳米颗粒为进一步提高水蒸发性能提供了一个新的视角，这有助于对ISSG领域的基本理解，以及未来太阳能水蒸发系统的合理设计。

文献信息

A reconfigurable and magnetically responsive assembly for dynamic solar steam generation. (Nat. Commun. 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-32051-3)

https://www.nature.com/articles/s41467-022-32051-3

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