隨著全球人口增長、工業(yè)化進程加速以及氣候變化影響，淡水資源短缺問題日益嚴(yán)峻。到2030年，全球半數(shù)人口將面臨嚴(yán)重淡水危機。海水淡化是緩解淡水短缺的有效途徑，但傳統(tǒng)技術(shù)如反滲透、多級閃蒸等存在能耗高、成本大、環(huán)境污染等問題。太陽能驅(qū)動界面蒸發(fā)技術(shù)因其綠色、可持續(xù)的特性備受關(guān)注，但其核心組件——太陽能蒸發(fā)器——在提升垂直供水能力和有效蒸發(fā)面積方面仍面臨挑戰(zhàn)。

山東大學(xué)宋波副教授、路士州副教授合作開發(fā)出一種新型淚滴形3D太陽能蒸發(fā)器，通過多尺度仿生供水結(jié)構(gòu)顯著提升了海水淡化效率。該蒸發(fā)器結(jié)合了仙人掌-inspired的彎曲供水通道、不對稱溝槽和微孔陣列，不僅將有效蒸發(fā)面積提高了40%，還將供水時間縮短了50%。在標(biāo)準(zhǔn)光照下，其蒸發(fā)速率達到3.73 kg·m?2·h?1，能量效率高達202.7%。此外，頂部錐形結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了局部鹽結(jié)晶，確保了長期穩(wěn)定運行和零液體排放，適用于高鹽度、強酸和有機廢水等多種惡劣環(huán)境。相關(guān)論文以“ Teardrop-Shaped 3D Solar Evaporator with Multiscale Biomimetic Water-Supply Structures for Highly Efficient Seawater Desalination”為題，發(fā)表在

Advanced Functional Materials

圖1展示了淚滴形蒸發(fā)器的仿生設(shè)計與表面結(jié)構(gòu)優(yōu)化。研究人員受豬籠草口緣、鸻鷸喙和仙人掌的微觀結(jié)構(gòu)啟發(fā)，采用熔融沉積建模技術(shù)制備了淚滴形蒸發(fā)器，其上部分為錐形結(jié)構(gòu)，下部分為仙人掌形結(jié)構(gòu)。不對稱溝槽結(jié)構(gòu)通過毛細作用推動液體向上輸送，微孔結(jié)構(gòu)則起到液膜釘扎和儲水作用，防止回流。此外，通過沉積單寧酸/氨基硅烷和聚吡咯親水涂層，表面粗糙度和親水性顯著增強，接觸角從66°降至近乎瞬時吸水，極大提升了供水能力。

圖1. a) 淚滴形蒸發(fā)器的仿生設(shè)計。b–d) 淚滴形蒸發(fā)器的表面微觀結(jié)構(gòu)。e) 親水涂層沉積前后蒸發(fā)器的表面形貌。f) 親水涂層的傅里葉變換紅外光譜。g) 不同涂層的靜態(tài)接觸角。

圖2進一步揭示了蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)對其供水性能的優(yōu)化效果。通過調(diào)節(jié)錐形與仙人掌部分的高度比、溝槽數(shù)量、整體高度以及溝槽分段構(gòu)建方式，研究人員發(fā)現(xiàn)高度比為2:1、溝槽數(shù)為36、總高25 mm時，供水時間最短至1.5秒。光照下，頂部與底部的溫差引發(fā)馬蘭戈尼效應(yīng)，進一步加速了水分向上輸送，提升了蒸發(fā)效率。

圖2. 淚滴形蒸發(fā)器在1太陽光照下加速水傳輸過程的構(gòu)型優(yōu)化。a) 錐形部分與仙人掌部分的高度比。b) 供水溝槽數(shù)量。c) 整體高度。d) 溝槽的構(gòu)建方式。

圖3反映了蒸發(fā)器優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能。涂層在紫外至近紅外波段吸收率超過90%，聚吡咯涂層表現(xiàn)出更強的光熱響應(yīng)能力。在光照下，蒸發(fā)器表面溫度在5分鐘內(nèi)達到穩(wěn)定，干態(tài)和濕態(tài)下分別為55°C和30°C。淚滴形結(jié)構(gòu)形成頂部輻照區(qū)和底部非輻照區(qū)，濕態(tài)下底部溫度高于頂部，形成顯著溫度梯度，有利于環(huán)境能量捕獲。

圖3. 淚滴形蒸發(fā)器的光熱轉(zhuǎn)換性能。a) PLA、AP和AP@PPy?涂層的吸光特性。b) AP@PPy?涂層在1太陽光照下頂部和底部溫度變化。c) 1太陽光照下蒸發(fā)器表面的溫度梯度。

圖4系統(tǒng)比較了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和涂層對蒸發(fā)性能的影響。優(yōu)化后的淚滴形蒸發(fā)器在1太陽光照下蒸發(fā)速率達3.73 kg·m?2·h?1，能量效率為202.7%，顯著優(yōu)于同等高度的圓錐形蒸發(fā)器。其更大的蒸發(fā)面積和更強的環(huán)境能量捕獲能力是性能提升的關(guān)鍵。

圖4. 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下蒸發(fā)器在1太陽光照下的蒸發(fā)性能。a) 不同頂部溝槽結(jié)構(gòu)。b) 不同表面涂層。c) 相同高度（25 mm）的圓錐形與淚滴形蒸發(fā)器對比。所有實驗樣本數(shù)不少于3。

圖5展示了蒸發(fā)器在脫鹽與凈化方面的卓越表現(xiàn)。即使在高鹽度飽和鹽水中，蒸發(fā)速率仍達2.88 kg·m?2·h?1，并具備良好的循環(huán)穩(wěn)定性。局部鹽結(jié)晶機制使鹽分僅在頂部析出，底部蒸發(fā)區(qū)持續(xù)工作，實現(xiàn)了自清潔和長期穩(wěn)定運行。此外，蒸發(fā)器對酸性廢水和有機染料廢水也表現(xiàn)出良好的凈化能力，凈化后水質(zhì)透明，污染物去除徹底。

圖5. 優(yōu)化后淚滴形蒸發(fā)器的脫鹽與凈化實驗。a) 在不同鹽溶液中的脫鹽性能。b) 海水（3.5 wt.%）中的循環(huán)蒸發(fā)測試。c) 在海水（3.5 wt.%）中的局部鹽結(jié)晶與自清潔能力。d) 局部鹽結(jié)晶機制示意圖。e,f) 對不同有機廢水（50 ppm）的凈化能力。所有實驗樣本數(shù)不少于3。

圖6通過戶外實驗驗證了蒸發(fā)器的實際應(yīng)用潛力。在真實環(huán)境下，蒸發(fā)器日均產(chǎn)水量達25.51 kg，可滿足三名成人日用水需求。產(chǎn)水離子濃度下降四個數(shù)量級，電阻率顯著提高，符合世界衛(wèi)生組織飲用水標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)濟與環(huán)境評估顯示，該系統(tǒng)制水成本低至每升0.004美元，碳足跡遠低于傳統(tǒng)脫鹽技術(shù)，具備良好的商業(yè)化前景。

圖6. 戶外蒸發(fā)實驗。a) 自制蒸發(fā)設(shè)備。b) 2025年4月26日9:00至17:00威海戶外實驗期間的環(huán)境溫度、濕度、太陽輻照度及蒸發(fā)速率。c) 處理前后金屬離子濃度變化。d) 電阻率測試。

該研究通過仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計與表面改性，成功開發(fā)出具有高效供水、大面積蒸發(fā)和環(huán)境能量捕獲能力的淚滴形太陽能蒸發(fā)器，為實現(xiàn)可持續(xù)、低成本的淡水供應(yīng)提供了新思路，未來有望在沿海和缺水地區(qū)推廣應(yīng)用。

來源：高分子科學(xué)前沿

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