研究成果速覽：

我院極端條件熱物理與能源系統團隊在太陽能界面蒸發領域取得進展，其最新研究成果連續發表于ACS Applied Materials & Interfaces。成果包括（1）利用玉米秸稈開發了一種高效、低成本的蒸發體用于太陽能海水淡化。玉米秸稈不僅是一種低成本的農業廢棄物，它還具有孔隙發達、密度低等特點。其內部具有復雜的多孔結構，可以在高效輸水的同時保持良好的隔熱。這些特點使該蒸發體在一個太陽強度下的蒸汽轉化率達到了86%。該研究成果以Highly Thermally Insulated and Superhydrophilic Corn Straw for Efficient Solar Vapor Generation為題，發表于ACS Appl. Mater. Interfaces，論文第一作者是博士生張昊天，通信作者為李林副教授和唐大偉教授。（2）以木材為原料制備了一種超輕的柔性木質氣凝膠蒸發體，用于太陽能海水淡化。該木質氣凝膠具有超阻熱、抗霉變、自排鹽的特性，從而在長期海水淡化過程中能夠實現穩定、高效的蒸發性能。研究成果以Flexible and Mildew-resistant Wood-derived Aerogel for Stable and Efficient Solar Desalination為題，發表于ACS Appl. Mater. Interfaces，論文第一作者是博士生張倩，通信作者為李林副教授和唐大偉教授。另外，以上成果分別受到了“能源學人”、“研之成理”、“材料科學前沿”等知名微信公眾號的邀請報道。

研究背景：

傳統的太陽能海水淡化是將太陽能與熱法海水淡化相結合，產生了包括太陽能集熱蒸餾、太陽能多效蒸餾、太陽能多效閃蒸等技術。雖然這些技術已經較為成熟，但仍然存在著系統效率受限、設備復雜、投資成本高等缺點。太陽能界面蒸發技術是由美國麻省理工學院的Gang Chen教授在2014年提出來的一種新型太陽能海水淡化方式（Nature Communications 2014, 5(1): 4449）。它通過將一種具有多孔結構的蒸發體漂浮于水面上，在水-空氣界面處進行光熱轉換形成局部熱區，同時蒸發體的內部多孔結構通過毛細作用向頂部熱區連續供水，從而引起蒸發。相比于體相光熱系統，其熱損失更小，可以實現較高的蒸發效率。另外，該界面蒸發系統無需復雜昂貴的太陽能集熱裝置和動力設備，大幅降低了成本。該技術由于具有熱損失小、系統簡單、成本低等優點而受到廣泛關注。近3年在 Nature Energy, Energy & Environmental Science, Science Advances, Advance Energy Materials等能源類頂級期刊上連續報道了相關成果。

成果一介紹：

高效的蒸發體需要在蒸發表面聚集熱量，同時向該區域連續供液，這就要求其能夠在保持良好隔熱的同時高效輸水。然而，普通的多孔介質在飽和液相狀態下的熱導率會大幅增加，增大了熱量向下方水體的散失，使其蒸發性能受限。另外，當前報道的大部分蒸發體還存在著制備工藝復雜、成本昂貴等問題。針對以上問題，作者以玉米秸稈這一農業廢棄物為原材料，通過一步表面碳化處理，制備出了一種低成本、易合成的生物質蒸發體。通過掃描電鏡可以看出，玉米秸稈內部主要包括管束組織和管胞組織。管束是沿著生長方向縱向連通的，以大量篩管環繞中間粗壯脈管結構組成，這種微納通道可以通過毛細作用向上輸水。同時，篩管與脈管之間的壁面上存在大量的微孔，該結構可以促進水分的橫向擴散。管胞是一種封閉的微腔室，其冷凍干燥后會充滿空氣，從而使其具有良好的隔熱性。由此構建的蒸發體不僅可以通過管束、微孔進行輸水，而且還可以通過管胞進行隔熱，從而實現在高效輸水的同時有效隔熱。經表面碳化處理的秸稈蒸發體太陽光譜吸收率達到了91%。該秸稈蒸發體在干燥狀態下的有效熱導率為0.042 W m^-1·K^-1，濕潤狀態下的有效熱導率為0.118 W m^-1·K^-1，低于當前所報道的大多數生物質材料，接近商用隔熱材料(聚乙烯泡沫的熱導率為0.04 W m^?1 K^?1)。另外，研究發現該玉米秸稈蒸發體表面具有超親水特性，而且其內部能夠快速、連續的進行毛細輸水。由于玉米秸稈蒸發體優異的吸光性、親水性和隔熱性，其在一個太陽強度下的蒸發速率達到了1.497 kg m^?2 h^?1，蒸汽轉化率達到了86%，高于大部分已報道的生物質蒸發體。另外，玉米秸稈成本極低，每平方米僅需0.8美元，在規?；瘧弥袃瀯菝黠@。

圖1.基于玉米秸稈的太陽能界面蒸發體結構及工作原理示意圖。

圖2.（a）玉米秸稈蒸發體表面形貌及內部微納結構，（b）玉米秸稈熱導率及水輸運能力，（c）玉米秸稈蒸發體的蒸發性能。

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成果二介紹：

天然木材具有密度低、熱導率低、成本低等優點，是一種理想的太陽能界面蒸發體基底材料。然而，木材等生物質材料長期浸泡于海水中容易發生塑性形變和受潮發霉，難以保證蒸發體結構的完整性，導致其穩定性較差，難以投入實際應用。針對以上難題，作者以木材為原料，通過去除其中的木質素及半纖維素，將格狀剛性木材結構轉化為彈簧狀可壓縮的層狀結構，從而構建出具有柔性、超輕、多孔的木質氣凝膠。研究發現，該氣凝膠的質量僅為原木材的十分之一。在去除木質素的支撐后，其獨特的三維層狀結構表現出柔性和超阻熱（0.0418 W m^-1·K^-1）特性，使氣凝膠在保證長期漂浮的同時能夠有效抑制向下方水體的導熱損失。這種氣凝膠不僅保溫性能比天然木材要好，甚至優于大多數商用保溫隔熱材料。另外，經過完全潤濕后，其柔韌性也得到了明顯改善，未受壓狀態下片狀氣凝膠仍可彎曲超過90°，而且表面無任何裂紋或破損。被涂覆Au納米粒子修飾的還原氧化石墨烯光熱層后，氣凝膠蒸發體在一個太陽強度下的蒸汽轉化率達到了91%。在60 h的持續蒸發測試中，木質氣凝膠蒸發體展現出了良好的抗霉變特性，這是因為化學處理去除了霉菌生長所需的營養物質，使其長期漂浮于水面時仍能保持結構的完整性和高效的光吸收性能。相反，木材蒸發體表面出現了淺綠色的大片霉菌覆蓋住部分蒸發表面，導致其蒸發效率的急劇下降。另外，在120小時的脫鹽實驗中，該氣凝膠蒸發體表現出優于天然木材的自排鹽特性。這是因為在化學處理中保留了氣凝膠在垂直于纖維素方向上排列有序的微米級孔道（15-20 μm），使其在保證充足水供應和蒸汽逸散的同時，促進了沉積鹽的回流。

                                                   圖3.基于木質氣凝膠的太陽能界面蒸發體結構示意圖

圖4.（a）天然木材與木質氣凝膠的微觀結構和物理特性，（b）木質氣凝膠蒸發體的光熱轉換性能，（c）木質氣凝膠蒸發體的蒸發性能及耐久性，（d）木質氣凝膠蒸發體的自排鹽特性。

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