Materials Horizons|用于创纪录界面太阳能蒸发的3D打印铜蒸发器支撑体|3d打印|materials horizons|太阳能蒸发|热能|蒸发器

研究背景

随着全球人口的快速增长和人类活动的扩张，淡水短缺已成为一个严峻的全球性问题，而利用太阳能作为唯一能源驱动清洁水生产的界面太阳能蒸发（ISE）技术被视为缓解这一危机的可持续方案。然而，ISE技术的实际应用目前面临一个关键瓶颈，即其蒸发性能高度依赖于太阳辐射的可用性和强度，在无光照条件下蒸发率通常会下降69-87%，且自然界中不稳定的天气条件和有限的高强度日照时长（例如许多沿海城市每日有效高强度日照少于6小时）难以保障连续且稳定的蒸发性能。尽管目前已有利用相变材料（PCMs）储热或引入焦耳加热等策略来缓解光照不足的影响，但这些方法通常存在热储能容量有限、维持时间短、封装工艺复杂或需要额外外部电能输入等缺陷，损害了ISE系统的被动性和简洁性。相比之下，地球上的体相水由于具有极高体积热容，本身就是一个巨大的天然被动热库，但现有的蒸发器设计在太阳能蒸发过程中往往面临热量从蒸发表面向体相水传导流失（即热传导损失）的问题。因此，如何通过精细的结构设计逆转这一热流方向，利用高导热材料有效地从体相水中提取热能以补充太阳能输入的不足，从而在弱光或无光条件下维持高蒸发率，成为了克服现有ISE技术局限并实现全天候高效海水淡化的重要研究方向。

相关工作以“A 3D printed Cu evaporator support for record-high interfacial solar evaporation”为题，发表在《Materials Horizons》期刊上。（JCR一区，中科院二区TOP，IF=12.1）

相关数据

图1：高导热铜支撑的ISE系统在太阳蒸发过程中光热效应和能量传递过程的示意图

图2：蒸发器的制备与表征

（a）铜支撑的3D打印工艺，以及（b）用3D打印铜支撑准备蒸发器的示意图。（c） 3D 打印的铜支撑，（d）带有PDA涂层的铜支撑，（e）光热层，以及（f）光热层中的纤维素纤维的SEM图像。（g）水在rGO-纤维素-SA水凝胶层上的接触角。

图3 （a）带有鳍片的铜支架结构示意图

（b1-b4铜蒸发器、铜蒸发器-6F、铜蒸发器-10F、铜蒸发器-14F的照片。PLA蒸发器、铜蒸发器和带鳍铜蒸发器的质量变化（c）和蒸发速率（d）。铜蒸发器质量变化（e）及蒸发率（f）铜蒸发器-14F-5m、铜蒸发器-14F-15m。（g）蒸发器的顶部和侧面面积。（h）蒸发器的表面温度。（i）计算出来自不同来源的能量输入。（j）不同蒸发器三种能源输入的能量比值。（k）理论计算的能量输入与水蒸发所需能量的比较。

图4 （a1–6）从铜蒸发器、Cu-蒸发器-6F、Cu-蒸发器-10F、Cu-蒸发器-14F、铜-蒸发器-14F-10m和Cu-蒸发器-14F-15m的散装水中提取能量的模拟结果。（b1–3） Cu蒸发器、Cu蒸发器-6F和Cu-蒸发器-14F-15m的蒸气扩散模式模拟结果。

图5 （a）示意图：展示了使用源测量单元在海水中测量铜支撑保护系统电压的实验装置，系统的开路输出电压（b）和短路电流（c）。Cu-蒸发器-14F-5m在天然海水中的质量变化（d）和蒸发速率（e），该保护系统在太阳和黑暗条件下的表现。（f） Cu蒸发器-14F-5m在户外测试中的照片。（g）户外测试中的太阳能强度、环境温度和湿度。（h）原始海水和收集蒸汽的高离子浓度。

研究结论

本研究证实了从体相水中收集热能对于显著提升界面太阳能蒸发（ISE）性能具有关键作用。通过合理设计具有高导热系数且经过结构优化的3D打印铜蒸发器支撑体（特别是引入延长的翅片结构），研究人员成功扩大了蒸发表面积并增强了从体相水中提取热能的能力，从而在1.0个太阳光照强度下实现了11.15 kg m-2 h-1的创纪录蒸发率。能量分析表明，在该系统中，来自体相水的热能贡献已超过太阳能输入，成为水蒸发的主导能源，这有效缓解了ISE技术对直接太阳光强度的依赖，为实现全天候、连续的高效水蒸发提供了可行的解决方案。此外，该研究还通过锌耦合设计引入了内置的牺牲阳极防腐机制，在有效保护铜支撑体免受海水腐蚀的同时，利用电偶效应在海水淡化过程中实现了同步发电，验证了该系统在实际应用中的耐用性与多功能性。