光热界面太阳能蒸发是一种利用太阳能从海水中制备淡水的有效方法。近年来，研究者采用先进的光热材料、创新的形状设计、复杂的微纳多孔结构和模块化分离方法，显著提升了蒸发器的光热转换效率。但盐积累导致效率低和不稳定性、水运输不足以及先进纳米结构太阳能蒸发器的高成本等阻碍了该技术的可持续和大规模实际应用。

为了解决这一问题，浙江理工大学余厚咏教授团队联合上海交通大学刘彦男副教授团队创新性地制备了将轻质泡沫球包裹在多孔纤维素纤维水凝胶中的可漂浮3D太阳能海水蒸发器。该蒸发器具有高达117.9%的超高光热效率，在1个标准太阳光强度下，蒸发率约为2.01 kg m-2 h-1。即使在0°模拟太阳角度下，该蒸发器也能保持在90°模拟太阳角度下85.8%的蒸发速率。此外通过盐沉积引起的自主旋转实现了除盐，从而确保持续有效的海水蒸发。同时，在室外长时间使用后，该蒸发器仍保持稳定的海水蒸发性能和结构完整性。这项研究为界面太阳能海水处理提供了一个经济可行、可持续大规模应用的解决方案。该研究成果近期以“Spherical Design-Driven Scalable Solar-Powered Water Treatment with Salt Self-Cleaning and Light Self-Adaptivity”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

传统的二维平面蒸发器由于有效蒸发面积有限，在低太阳入射角下的光热转换能力具有局限性。受糖衣山楂的启发，作者设计了一种核-壳结构自浮式3D球形海水蒸发器，以超轻球形膨胀聚苯乙烯(EPS)泡沫为核心材料，均匀包覆纤维素水凝胶外壳，并在其表面原位聚合了聚吡咯(PPy)作为太阳能吸收剂，进一步增强了蒸发性能。这一设计不仅提高了蒸发器太阳能海水蒸发效率，使其能够在不同太阳入射角下保持高效运作，还具备了盐自清洁能力，能够持续执行海水蒸发过程。

图1. 高浮比光自适应性球形蒸发器及盐自清洁过程。

图2. 3D球形蒸发器的结构示意图及制备过程。

该研究制备了不同直径的3D球形蒸发器以评估其在水面上的浮动状态和光吸收效率。随着球的直径增大，水面体积比增加，UV-vis-NIR反射光谱和透射光谱分析结果显示，光热球几乎完全吸收了200-2500nm范围内的光，光热效率优于大多数传统蒸发器。蒸发测试结果表明，光热球的温度和水蒸发速率随着直径的不同而变化，25mm直径的光热球表现最佳，蒸发速率达到2.01kg m-2 h-1，光热效率为117.9%。然而，随着直径增大，水分输送率下降，导致较大直径的光热球蒸发速率降低。在较低光强下，大直径光热球仍保持较高的光热效率，验证了光热球的水分蒸发速率受到壳层水分输送速率的限制。为了探究光热球对海水的适应性，作者测试了不同浓度（3.5 wt%、10 wt%、20 wt%）盐水中不同直径（15mm-60mm）光热球的温度变化和蒸发速率。结果表明，蒸发速率随着盐浓度增加而下降，25mm光热球在3.5 wt%盐水中的蒸发速率达到1.65 kg m -2 h -1，而在20 wt%盐水中降至1.29 kg m -2 h -1。12小时不同浓度盐水下的蒸发测试结果表明，在长时间蒸发行为下，平衡温度和蒸发速率略有下降。

图3. 3D光热球作为太阳能蒸发器在不同太阳光强度下的蒸发性能。

图4. 3D光热球作为太阳能蒸发器在不同盐水浓度下的蒸发性能。

作者模拟了90°、60°、30°和0°四个入射角下的太阳光照射情景，研究表明，球形蒸发器在0°至90°的仰角范围内显著扩大了光吸收面积，25mm和40mm的光热球在0°入射角下的蒸发速率分别为1.43和1.27 kg m-2 h-1，效率保持在71.14%和85.81%。这种3D球形蒸发器在适应太阳入射角方面表现出极大的灵活性。此外，光热球通过盐积聚-自主旋转-盐分离溶解实现了自清洁，可确保长时间高效的海水蒸发。

图5. 3D光热球在不同漂浮状态和不同太阳照射角度下的蒸发行为。

研究最后将大量光热球结合冷凝圆顶和水槽进行淡水收集，探究了大型球形太阳能蒸发器在实际应用中的可行性。实验结果表明，光热球在自然光条件下的蒸发速率为0.26至0.42 kg m-2 h-1，并有效净化了湖水。在28天的长期实验中，光热球成功地在模拟海水中实现了持续蒸发和淡化，产水量满足每日饮用水需求，其结构在实验结束后仍保持完整，显示了其长期应用的可能性。

图6. 球形蒸发器在室外条件下的大规模蒸发效果。

小结

作者通过将轻质泡沫球封装在多孔纤维素纳米纤维水凝胶中开发了一种环保的球形太阳能海水蒸发器。该装置实现了高水蒸发率和光热效率。在不同太阳角度下，蒸发器能保持高效运作并适应不同浓度的海水环境。独特的盐自清洁功能确保了持续稳定的海水蒸发。室外也实验表明这一工作具有大规模、低成本太阳能驱动海水蒸发和淡水转化的潜力。

作者介绍：

余厚咏，教授，博导，2018-2019 加拿大滑铁卢大学化工学院资助（博士后）访学 师从K.C.Tam教授 (全球纤维素纳米晶知名学者、ESI数目排名第三，ACS Sustain.Chem.杂志副主编)。现任浙江理工大学研究生院副院长，入选浙江省杰青、浙江省万人计划青年拔尖人才、浙江省高等学校中青年学科带头人、中国科协青年托举人才等。第一作者或通讯作者在Journal of the American Chemical Society、Advanced Functional Materials、ACS nano、Chem Eng. J、Green Chem、Nano Research等国际知名期刊发表SCI 论文≥100篇。

刘彦男，上海交通大学化学化工学院长聘（教轨）副教授，国家海外高层次引进青年人才，博士生导师。主持国家自然科学基金面上项目等，主要研究方向为聚合物合成、超分子化学、光催化、有机电池等。总计发表论文≥40篇，其中以第一作者（含共一）或通讯作者在Nat. Commun.(2 篇), Angew. Chem. (4 篇), Adv. Mater. (2 篇), Nano Lett. (2篇) 等杂志发表论文, 获得授权中国发明专利9项。
课题组主页：
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