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成果掠影 & 研究背景

水和能源是21世纪人类社会可持续发展的核心资源，但全球水-能源矛盾日益突出。传统太阳能蒸馏技术虽能利用光热效应产水，但盐分堵塞问题严重限制了长期运行效率。新加坡国立大学Swee Ching Tan团队题为“Manipulating unidirectional fluid transportation to drive sustainable solar water extraction and brine-drenching induced energy generation”的文章提出了一种创新解决方案：通过设计单向流体运输的流体光热结构，结合盐水浸润诱导发电装置，实现高效清洁水生产与可持续能源同步输出。研究发现，基于金属有机框架（MOF）衍生的介孔碳纳米片（MC-NFAs）构建的流体光热系统，在1倍太阳光强下实现了91%的太阳能-蒸汽转换效率，并完全避免了盐结晶问题，连续运行150分钟后仍保持稳定。同时，利用碳材料不均匀沉积的织物发电装置（WEG），在盐水浸润时可立即产生高达200 mV的电压，适用于汗水、地下水和雨水等多种水源，为可穿戴设备供电提供了新思路。

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研究内容 & 图文数据

1. 设计原理：单向流体运输的盐排斥机制

  • 流体光热结构通过控制盐水单向流动，使盐离子随水流迁移至出口，避免局部盐分堆积。

  • 计算流体力学（CFD）模拟表明，出口宽度与光热材料匹配时，盐分可完全排出。

  • 实验验证：若出口过窄，盐分会堆积在光热材料边缘（图1b）。

  • 关键参数：流体流速与材料尺寸的优化确保长期无盐运行。

图1 单向流体运输驱动盐排斥太阳能水提取示意图及实验结果。

2. 流体光热结构的制备与性能

  • MOF衍生的介孔碳纳米片（MC-NFAs）具有高光吸收（>97%）、优异亲水性和快速光热响应（2分钟升温至50°C）。

  • 实验装置通过液压差驱动盐水流动，实现高效水蒸发（1.63 kg·m⁻²·h⁻¹）。

  • 能量平衡分析显示，系统热损失仅2.29%，91%能量用于蒸发（图2k）。

图2 MC-NFAs的合成、表征及流体光热装置示意图。

3. 可持续盐水处理与清洁水产

  • 多次循环处理可将盐水浓度从3.5 wt%提升至16 wt%，且产水离子浓度低于饮用水标准（图4d）。

  • 系统可过滤微藻（1–10 μm）等污染物，抗生物污垢性能优异。

  • 扩展性验证：多通道并联装置适用于大规模应用（图4h）。

图3-4 盐水迭代处理、水质检测及抗污实验结果。

4. 盐水浸润诱导发电机制与应用

  • 碳黑（CB）不均匀沉积的织物（WEG）在浸润时形成电势差，基于电双层（EDL）效应发电。

  • 装置可编程性：通过设计CB沉积图案，实现特定电压信号输出（图6a-b）。

  • 应用场景：汗水驱动的可穿戴设备（图6h-j）、雨水发电伞（图6l）等。

图5 WEG的制备与电学特性

图6 可编程发电装置及多场景应用。

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总结 & 原文链接

本文通过创新设计流体光热结构与浸润发电装置的集成系统，同步解决了太阳能蒸馏中的盐堵塞问题和能源可持续供给难题。MC-NFAs光热材料的高效蒸发性能与单向流体运输机制，确保了长期稳定产水；而WEG发电装置的低成本、可编程特性，为多场景能源采集提供了新方案。该研究为水-能源协同管理提供了重要技术路径，有望推动海水淡化、可穿戴电子等领域的实际应用。

原文链接：https://doi.org/10.1039/d0ee01572e

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