研究成果速览：
我室极端条件热物理与能源系统团队在太阳能界面蒸发领域取得进展，其最新研究成果连续发表于ACS Applied Materials & Interfaces。成果包括（1）利用玉米秸秆开发了一种高效、低成本的蒸发体用于太阳能海水淡化。玉米秸秆不仅是一种低成本的农业废弃物，它还具有孔隙发达、密度低等特点。其内部具有复杂的多孔结构，可以在高效输水的同时保持良好的隔热。这些特点使该蒸发体在一个太阳强度下的蒸汽转化率达到了86%。该研究成果以Highly Thermally Insulated and Superhydrophilic Corn Straw for Efficient Solar Vapor Generation为题，发表于ACS Appl. Mater. Interfaces，论文第一作者是博士生张昊天，通信作者为李林副教授和唐大伟教授。（2）以木材为原料制备了一种超轻的柔性木质气凝胶蒸发体，用于太阳能海水淡化。该木质气凝胶具有超阻热、抗霉变、自排盐的特性，从而在长期海水淡化过程中能够实现稳定、高效的蒸发性能。研究成果以Flexible and Mildew-resistant Wood-derived Aerogel for Stable and Efficient Solar Desalination为题，发表于ACS Appl. Mater. Interfaces，论文第一作者是博士生张倩，通信作者为李林副教授和唐大伟教授。另外，以上成果分别受到了“能源学人”、“研之成理”、“材料科学前沿”等知名微信公众号的邀请报道。
研究背景：
传统的太阳能海水淡化是将太阳能与热法海水淡化相结合，产生了包括太阳能集热蒸馏、太阳能多效蒸馏、太阳能多效闪蒸等技术。虽然这些技术已经较为成熟，但仍然存在着系统效率受限、设备复杂、投资成本高等缺点。太阳能界面蒸发技术是由美国麻省理工学院的Gang Chen教授在2014年提出来的一种新型太阳能海水淡化方式（Nature Communications 2014, 5(1): 4449）。它通过将一种具有多孔结构的蒸发体漂浮于水面上，在水-空气界面处进行光热转换形成局部热区，同时蒸发体的内部多孔结构通过毛细作用向顶部热区连续供水，从而引起蒸发。相比于体相光热系统，其热损失更小，可以实现较高的蒸发效率。另外，该界面蒸发系统无需复杂昂贵的太阳能集热装置和动力设备，大幅降低了成本。该技术由于具有热损失小、系统简单、成本低等优点而受到广泛关注。近3年在Nature Energy, Energy & Environmental Science, Science Advances, Advance Energy Materials等能源类顶级期刊上连续报道了相关成果。
成果一介绍：
高效的蒸发体需要在蒸发表面聚集热量，同时向该区域连续供液，这就要求其能够在保持良好隔热的同时高效输水。然而，普通的多孔介质在饱和液相状态下的热导率会大幅增加，增大了热量向下方水体的散失，使其蒸发性能受限。另外，当前报道的大部分蒸发体还存在着制备工艺复杂、成本昂贵等问题。针对以上问题，作者以玉米秸秆这一农业废弃物为原材料，通过一步表面碳化处理，制备出了一种低成本、易合成的生物质蒸发体。通过扫描电镜可以看出，玉米秸秆内部主要包括管束组织和管胞组织。管束是沿着生长方向纵向连通的，以大量筛管环绕中间粗壮脉管结构组成，这种微纳通道可以通过毛细作用向上输水。同时，筛管与脉管之间的壁面上存在大量的微孔，该结构可以促进水分的横向扩散。管胞是一种封闭的微腔室，其冷冻干燥后会充满空气，从而使其具有良好的隔热性。由此构建的蒸发体不仅可以通过管束、微孔进行输水，而且还可以通过管胞进行隔热，从而实现在高效输水的同时有效隔热。经表面碳化处理的秸秆蒸发体太阳光谱吸收率达到了91%。该秸秆蒸发体在干燥状态下的有效热导率为0.042 W m-1·K-1，湿润状态下的有效热导率为0.118 W m-1·K-1，低于当前所报道的大多数生物质材料，接近商用隔热材料(聚乙烯泡沫的热导率为0.04 W m−1K−1)。另外，研究发现该玉米秸秆蒸发体表面具有超亲水特性，而且其内部能够快速、连续的进行毛细输水。由于玉米秸秆蒸发体优异的吸光性、亲水性和隔热性，其在一个太阳强度下的蒸发速率达到了1.497 kg m−2h−1，蒸汽转化率达到了86%，高于大部分已报道的生物质蒸发体。另外，玉米秸秆成本极低，每平方米仅需0.8美元，在规模化应用中优势明显。
图1.基于玉米秸秆的太阳能界面蒸发体结构及工作原理示意图
图2.（a）玉米秸秆蒸发体表面形貌及内部微纳结构，（b）玉米秸秆热导率及水输运能力，（c）玉米秸秆蒸发体的蒸发性能
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成果二介绍：
天然木材具有密度低、热导率低、成本低等优点，是一种理想的太阳能界面蒸发体基底材料。然而，木材等生物质材料长期浸泡于海水中容易发生塑性形变和受潮发霉，难以保证蒸发体结构的完整性，导致其稳定性较差，难以投入实际应用。针对以上难题，作者以木材为原料，通过去除其中的木质素及半纤维素，将格状刚性木材结构转化为弹簧状可压缩的层状结构，从而构建出具有柔性、超轻、多孔的木质气凝胶。研究发现，该气凝胶的质量仅为原木材的十分之一。在去除木质素的支撑后，其独特的三维层状结构表现出柔性和超阻热（0.0418W m-1·K-1）特性，使气凝胶在保证长期漂浮的同时能够有效抑制向下方水体的导热损失。这种气凝胶不仅保温性能比天然木材要好，甚至优于大多数商用保温隔热材料。另外，经过完全润湿后，其柔韧性也得到了明显改善，未受压状态下片状气凝胶仍可弯曲超过90°，而且表面无任何裂纹或破损。被涂覆Au纳米粒子修饰的还原氧化石墨烯光热层后，气凝胶蒸发体在一个太阳强度下的蒸汽转化率达到了91%。在60 h的持续蒸发测试中，木质气凝胶蒸发体展现出了良好的抗霉变特性，这是因为化学处理去除了霉菌生长所需的营养物质，使其长期漂浮于水面时仍能保持结构的完整性和高效的光吸收性能。相反，木材蒸发体表面出现了浅绿色的大片霉菌覆盖住部分蒸发表面，导致其蒸发效率的急剧下降。另外，在120小时的脱盐实验中，该气凝胶蒸发体表现出优于天然木材的自排盐特性。这是因为在化学处理中保留了气凝胶在垂直于纤维素方向上排列有序的微米级孔道（15-20 μm），使其在保证充足水供应和蒸汽逸散的同时，促进了沉积盐的回流。
图3.基于木质气凝胶的太阳能界面蒸发体结构示意图
图4.（a）天然木材与木质气凝胶的微观结构和物理特性，（b）木质气凝胶蒸发体的光热转换性能，（c）木质气凝胶蒸发体的蒸发性能及耐久性，（d）木质气凝胶蒸发体的自排盐特性
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