【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】太陽能作為清潔可再生能源正在為“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)不斷提供助力。集中式光電光熱利用技術(shù)由于成本高昂，難以在基礎(chǔ)設(shè)施較差地區(qū)大規(guī)模應(yīng)用。為彌補(bǔ)這一不足，太陽能的分布式利用逐漸受到重視。太陽能驅(qū)動的光熱界面水蒸發(fā)(SSG)作為一種典型的分布式光熱利用技術(shù)，因其簡單實用性，受到國內(nèi)外研究的青睞。SSG將光能轉(zhuǎn)化為熱能產(chǎn)生蒸汽，隨后通過冷凝獲取清潔水，為偏遠(yuǎn)離網(wǎng)地區(qū)提供了一種簡易的水處理與清潔水制取方式。此外，通過降低設(shè)備成本和提升性能，SSG已逐漸顯示出其良好的經(jīng)濟(jì)可行性(圖1)。
 

圖1 SSG的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(a)、能量需求(b)及成本分析(c)
 

　　近年來隨著研究的逐步深入，SSG的太陽能轉(zhuǎn)化利用效率已得到顯著提高，甚至突破了常態(tài)下太陽能利用極限。當(dāng)下報道的效率性能作為評價的主要指標(biāo)已難以評估與界定一項研究工作的創(chuàng)新性與實際價值，SSG的研究重點已逐項向水處理與海水淡化以外的協(xié)同效應(yīng)與功能化應(yīng)用方向偏轉(zhuǎn)。近期的研究表明，將SSG的適用性擴(kuò)展到水處理和海水淡化以外的領(lǐng)域，對其進(jìn)行功能化修飾與主動設(shè)計，可以為關(guān)乎水和能源的實際問題提供創(chuàng)新性的解決方案。在此背景下，本文綜述了SSG在過去發(fā)展歷程中的里程碑式研究成果(圖2a)，討論了其在跨學(xué)科領(lǐng)域中的多樣化應(yīng)用潛力，重點包括能源捕集及發(fā)電、清潔燃料生產(chǎn)、環(huán)境修復(fù)、鋰資源分離提取等。最后從基礎(chǔ)研究和實際應(yīng)用角度分析了SSG未來發(fā)展的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
 

圖2 SSG的主要發(fā)展歷程(a)與冷凝水收集率問題(b)
 

　　【太陽能界面水蒸發(fā)的發(fā)展】
 

　　SSG具有顯著的界面熱局域優(yōu)勢，能夠?qū)崃考性谒?空氣界面并有效減少熱損失，從而提高太陽能的轉(zhuǎn)化效率。通過先進(jìn)的光吸收材料和熱管理策略，近期報道的SSG效率已普遍超過90%。等離子體、半導(dǎo)體、碳基材料以及有機(jī)小分子材料被廣泛研究以增強(qiáng)光吸收能力。此外，熱管理優(yōu)化設(shè)計如熱隔絕與限域水傳輸有助于抑制朝水體方向的導(dǎo)熱損失，從而進(jìn)一步提高蒸發(fā)效率。實際的水收集率同時取決于器件的冷凝性能，在封閉的蒸發(fā)腔室中冷凝過程將最終決定整個轉(zhuǎn)換過程的效率。有效的冷凝設(shè)計(如倒置疏水納米結(jié)構(gòu)冷凝器)可以將太陽能-凝結(jié)效率提高至80-90%，保障實際液態(tài)水的收集量(圖2b)。
 

　　耐鹽特性是確保SSG在海水淡化作業(yè)中能夠長期穩(wěn)定運行的關(guān)鍵指標(biāo)，是除效率提升外的領(lǐng)另一個重要關(guān)注點。為此，學(xué)界開發(fā)了多種耐鹽結(jié)構(gòu)，優(yōu)異的耐鹽結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅提升了太陽能蒸發(fā)器的穩(wěn)定性，也增進(jìn)了對多孔太陽能蒸發(fā)器界面?zhèn)鳠醾髻|(zhì)的理解。相關(guān)研究主要圍繞擴(kuò)散和對流驅(qū)動的排鹽策略進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，如大孔徑結(jié)構(gòu)促進(jìn)水鹽交換，解耦光吸收與水傳輸?shù)腏anus設(shè)計使實際蒸發(fā)面下移，基于單向虹吸流動和馬蘭戈尼效應(yīng)的定向水鹽遷移等(圖3a-b)。
 

　　水蒸發(fā)的高相變焓是其高能耗的主要原因，通過降低相變焓可提高蒸發(fā)通量。基于水凝膠的蒸發(fā)器首次提出了這一概念，指出水分子與聚合物網(wǎng)絡(luò)的相互作用生成的界面水可降低焓并增強(qiáng)蒸發(fā)。然而，一般認(rèn)為蒸發(fā)焓是一個狀態(tài)函數(shù)，其僅由初始狀態(tài)和最終狀態(tài)決定。盡管由于焓降低，界面水的蒸發(fā)需要的能量較少，但將本體水轉(zhuǎn)化為界面水同樣需要能量來打破氫鍵。因此，整個蒸發(fā)過程分為兩部分，每部分的總焓應(yīng)等于直接轉(zhuǎn)化的焓。因此使用界面水作為中間狀態(tài)并不具有熱力學(xué)優(yōu)勢。此外，近期研究發(fā)現(xiàn)通過形成分子團(tuán)簇并利用光分子效應(yīng)促進(jìn)液態(tài)水轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，比熱蒸發(fā)能耗需求更低。光分子效應(yīng)涉及分子團(tuán)簇的四極力和電場梯度，其對光波長、入射角和偏振的依賴性已獲初步驗證，為超越熱力學(xué)極限的蒸發(fā)過程提供了不同的解釋角度。針對蒸發(fā)焓降低的現(xiàn)象未來仍需進(jìn)一步研究與論證，并需要理論與實驗驗證方法上的創(chuàng)新與突破(圖3c)。
 

　　圖3 SSG在耐鹽結(jié)構(gòu)設(shè)計(a-b)、蒸發(fā)焓(c)、多級蒸發(fā)器(d)及ZLD(e)方面的研究進(jìn)展

 

　　多級太陽能蒸餾器通過回收熱蒸汽的潛熱可大幅提升產(chǎn)水量。相關(guān)裝置在1個太陽光照下已實現(xiàn)385%的能量效率，產(chǎn)水量達(dá)5.78 kg m-1 h-1。多級蒸餾器還兼具冷卻功能，與太陽能電池板結(jié)合可實現(xiàn)清潔水與電力的協(xié)同聯(lián)產(chǎn)。多級設(shè)備的主要挑戰(zhàn)包括鹽堵塞問題、設(shè)備成本和復(fù)雜度增加，以及對溫度變化的響應(yīng)。解決鹽堵塞問題并不意味著需要犧牲熱效率，為此基于溫鹽對流的新型策略近期被提出(圖3d)。除了多級蒸發(fā)，宏觀尺度三維蒸發(fā)器通過擴(kuò)展蒸發(fā)面吸納環(huán)境熱量也可以直接提高光熱蒸發(fā)器的輸出，與此同時，三維蒸發(fā)器也展現(xiàn)了特有的零液體排放(ZLD)優(yōu)勢。然而，由于SSG系統(tǒng)依賴空氣冷卻蒸汽生產(chǎn)冷凝水，實現(xiàn)超高蒸發(fā)量的環(huán)境熱能否同時作用于有效冷凝恐怕需進(jìn)一步驗證(圖3e)。
 

　　【太陽能界面水蒸發(fā)的功能化調(diào)控與主動設(shè)計】
 

　　SSG在能量效率與持續(xù)性方面均已取得顯著成果，以上兩項關(guān)鍵指標(biāo)將難以在未來全面地評判研究工作的創(chuàng)新性與重要性。如何圍繞SSG進(jìn)一步開展創(chuàng)新性研究是亟需思考的問題。近期針對SSG的功能化調(diào)控與主動設(shè)計為其在水處理與海水淡化之外的跨領(lǐng)域應(yīng)用帶來了諸多可能，并為推進(jìn)水與能源緊密聯(lián)系的可持續(xù)目標(biāo)的實現(xiàn)提供了多樣化策略。
 

　　在水蒸發(fā)誘導(dǎo)的能量轉(zhuǎn)換與發(fā)電技術(shù)方面(圖4)：基于微觀尺度水蒸氣與材料相互作用與系統(tǒng)的內(nèi)源熱物變化，已提出包括熱電、機(jī)械制動、濃差和水伏效應(yīng)等多種轉(zhuǎn)換策略。SSG可協(xié)同集成熱電模塊利用太陽能蒸發(fā)過程中的自發(fā)熱梯度實現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換，同時也能夠結(jié)合熱化學(xué)電池或反向電滲析利用鹽度梯度實現(xiàn)電能輸出的強(qiáng)化。基于SSG的機(jī)械轉(zhuǎn)換依賴于對水蒸氣響應(yīng)的制動器材料，如水敏性生物膜，相關(guān)研究顯示整個美國地區(qū)可以貢獻(xiàn)325 GW的機(jī)械能輸出。此外，近期備受關(guān)注的水伏效應(yīng)是水蒸發(fā)過程直接發(fā)電的基礎(chǔ)性突破。水分子從功能化納米多孔表面逸出時可產(chǎn)生蒸發(fā)勢，從而實現(xiàn)穩(wěn)定持續(xù)的電能輸出。進(jìn)一步理解能量轉(zhuǎn)換機(jī)制提高功率密度和器件高效集成被認(rèn)為是SSG在微納發(fā)電領(lǐng)域未來研究的重點。
 

　　圖4 SSG在能量轉(zhuǎn)換與發(fā)電方面的功能化設(shè)計，主要涉及熱電轉(zhuǎn)換(a)、鹽差能(b)、機(jī)械制動(c)與水伏轉(zhuǎn)換(d)

 

　　在SSG驅(qū)動的醫(yī)用滅菌方面(圖5a)：SSG優(yōu)異的界面熱局域特性可實現(xiàn)蒸汽溫度的快速提升，輸出的高溫高壓蒸汽為消除細(xì)菌和其他活體微生物提供了有效方法。到目前為止，實驗室規(guī)模的SSG滅菌器已在自然陽光下的實地測試中得到驗證。通過采用透明且隔熱的氣凝膠材料進(jìn)行表面熱管理，可以抑制輻射和對流造成的熱損失，其效率和動力學(xué)性能已得到大幅提升；同時，非接觸式結(jié)構(gòu)可以為裝置及重要組件提供有效保護(hù)，確保了其長期運行的穩(wěn)定性。以上進(jìn)展使基于SSG的滅菌消殺技術(shù)更加接近實際的落地使用。
 

　　在SSG輔助的化工合成方面(圖5b)：近期的進(jìn)展顯示SSG在驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)方面展現(xiàn)了令人驚喜的能力。一個典型案例是SSG對酯化反應(yīng)的促進(jìn)，首先光熱表面提供了更多的活化反應(yīng)位點，有趣的是，反應(yīng)產(chǎn)物(即乙酸乙酯)伴隨蒸發(fā)過程被迅速分離出反應(yīng)體系，反應(yīng)平衡于是不斷向正向移動，持續(xù)推動了乙酸乙酯的高效合成。同時，熱化學(xué)反應(yīng)與蒸發(fā)之間的協(xié)同作用也可以實現(xiàn)互利共贏，提升催化性能的同時增強(qiáng)蒸發(fā)過程。盡管相關(guān)研究數(shù)量有限，但上述案例表明SSG在化工領(lǐng)域的應(yīng)用已展現(xiàn)廣闊的潛力。
 

　　在界面蒸發(fā)制冷方面(圖5c-d)：蒸發(fā)制冷功率取決于給定時間段內(nèi)蒸發(fā)的水量，界面水蒸發(fā)結(jié)構(gòu)具有天然的高蒸發(fā)量，因此，基于SSG的水蒸發(fā)過程具有顯著的制冷潛力與優(yōu)勢。目前，對過熱太陽能電池板進(jìn)行冷卻為其提供了理想的工作場景，并可帶來光電性能提升、光伏組件壽命延長與清潔水獲取等諸多好處。此外，蒸發(fā)制冷有助于冷源端的建立，與光熱形成的熱源相耦合可以協(xié)同提高熱電輸出。近期的研究進(jìn)展為界面蒸發(fā)在更多領(lǐng)域的制冷(如電子冷卻和電池?zé)峁芾淼?提供了諸多有價值的借鑒，鑒于許多行業(yè)應(yīng)用(如數(shù)據(jù)中心)對制冷需求的不斷增加，具有更高制冷潛力的SSG或許會發(fā)揮愈發(fā)重要的作用。
 

　　圖5 SSG在醫(yī)用滅菌(a)、化工合成(b)和蒸發(fā)制冷應(yīng)用(c-d)方面的功能化設(shè)計

 

　　在SSG輔助的環(huán)境修復(fù)方面(圖6a-c)：水處理是SSG的目標(biāo)應(yīng)用場景，但以往研究多數(shù)聚焦于海水淡化。實際上，水污染情況通常較為復(fù)雜，除了鹽分，還往往涉及各類其他污染物。如有機(jī)污染物近年來開始受到關(guān)注，尤其是揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)的去除，在SSG的材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計層面需要額外的考慮。近期的進(jìn)展表明，將SSG與光催化降解相結(jié)合是一種去除VOCs的有效方案。此外，公眾對自然水環(huán)境中諸如微塑料等新興污染物的擔(dān)憂也在與日俱增，近期的報道也突顯了SSG在微塑料吸附與定向去除方面的應(yīng)用前景。
 

　　除水體污染，SSG在土壤修復(fù)與重金屬去除方面的功能化設(shè)計也受到了關(guān)注。以潮濕土壤作為水源，SSG通過毛細(xì)作用持續(xù)從土壤中抽取水分，使水分匯聚到蒸發(fā)器并同時攜帶重金屬離子，對蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行功能化修飾可以強(qiáng)化對金屬離子的吸附性與選擇性。該策略已成功實現(xiàn)對包括鉛、砷和鎘在內(nèi)的多種重金屬的有效去除。為了更好地評估該方法的實際可行性，活性材料達(dá)到飽和吸附后的循環(huán)可再生能力與可擴(kuò)展性也需要進(jìn)一步驗證。此外，SSG在微生物(如微藻)的富集與捕獲方面也富有成效，未來有希望發(fā)展為克服水華問題并促進(jìn)生物質(zhì)生產(chǎn)的潛在途徑。以上SSG在水體、土壤修復(fù)方面取得的成果有望在未來激發(fā)更多的在環(huán)境領(lǐng)域內(nèi)的交叉探索。
 

　　在SSG助力的清潔燃料生產(chǎn)方面(圖6d-e)：氫是重要的凈零排放清潔燃料和能源載體，光催化水分解與SSG的耦合產(chǎn)生了優(yōu)異的協(xié)同強(qiáng)化效果。光吸收體材料經(jīng)過催化劑負(fù)載后可作為漂浮式的光催化平臺，與傳統(tǒng)的浸沒式配置相比，這種漂浮式界面結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出了包括增強(qiáng)的光吸收、簡易氣體分離、增大的表面張力、抗聚集與毛細(xì)作用下的快速反應(yīng)物傳質(zhì)等獨有優(yōu)勢。此外，由于不存在傳統(tǒng)設(shè)計中常出現(xiàn)的水下氣泡帶來的機(jī)械沖擊，光催化劑性能更加穩(wěn)定。傳統(tǒng)光催化的另一個問題是需要純凈的水作為原料來維持分解過程，而SSG則可以就地取材為分解過程提供水源。這種獨立的混合反應(yīng)器將非常適合與多孔吸附劑或金屬氫化物結(jié)合進(jìn)行后續(xù)的氫氣儲存，為進(jìn)一步完善分布式能源體系提供了一種選擇性方案。與此同時，基于SSG的其他清潔燃料的制取(如生物乙醇)也得到了開發(fā)，突出了SSG在離網(wǎng)條件下用于分布式綠色生物燃料生產(chǎn)的可行性和獨特優(yōu)勢。
 

　　圖6 SSG在環(huán)境修復(fù)和清潔燃料生產(chǎn)方面的功能化設(shè)計，主要涉及VOCs的降解阻隔(a)、土壤重金屬離子去除(b)、水體微生物捕集(c)與光催化制氫(e-d)

 

　　此外，SSG在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也備受關(guān)注(圖7a-b)。SSG所生產(chǎn)的水資源可直接用于農(nóng)作物的灌溉，避免特殊場景下灌溉水的欠缺，從而構(gòu)建水-能源-糧食三位一體的生產(chǎn)系統(tǒng)，這一技術(shù)路線也將允許太陽能海上農(nóng)場的完全自治運行。藉由SSG整合陸地、海洋和太陽能資源發(fā)展延伸而來的農(nóng)業(yè)應(yīng)用，可為水、能源和糧食相關(guān)的可持續(xù)目標(biāo)的實現(xiàn)貢獻(xiàn)力量。
 

　　SSG的零液體排放(ZLD)能力激發(fā)了近期對水鹽聯(lián)產(chǎn)以及高值礦物資源提取的研究(圖7c)。其中，鋰資源的分離提取是當(dāng)下研究的重點。近期的研究顯示，通過空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計與表面吸附修飾，SSG可實現(xiàn)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)手段的分離比，這表明SSG方法在海水/鹵水提鋰上具有高度選擇性的優(yōu)勢。未來研究需進(jìn)一步探討復(fù)雜離子體系下鋰鹽的分離純化與不僅限于鋰的其他礦物資源的提取，這也將對材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計提出新的要求。
 

　　另一個涉及SSG的熱門課題是吸附式大氣集水(AWH，圖7d)。和直接水蒸發(fā)不同，AWH產(chǎn)生的水蒸氣由吸附狀態(tài)經(jīng)光熱轉(zhuǎn)換釋放而來，因此，吸附劑內(nèi)部的水無法自由輸送到太陽能吸收表面，于是吸附水的解吸也不像SSG的蒸發(fā)速率那樣呈線性趨勢，而且吸附劑材料自身的吸水量有限。這些差異意味著，在結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化成分方面，解吸的動力學(xué)和焓要求需要優(yōu)先考慮。近期的報道表明通過定向排列和分級有序的吸附劑結(jié)構(gòu)設(shè)計有望克服以上限制，實現(xiàn)高產(chǎn)率的快速吸附/解吸循環(huán)。AWH與SSG同為近年來興起的新型水資源制取技術(shù)，兩者的耦合交叉將為克服全球水資源短缺問題帶來新的可能。
 

　　圖7 太陽能界面水蒸發(fā)在農(nóng)業(yè)(a-b)、鋰提取(c)和AWH領(lǐng)域(d)的功能化應(yīng)用

 

　　【未來展望】
 

　　功能化設(shè)計和交叉領(lǐng)域應(yīng)用探索可為延續(xù)SSG相關(guān)研究以及推動太陽能的分布式利用做出重要貢獻(xiàn)。然而，SSG 自身在基礎(chǔ)研究與實際應(yīng)用層面仍面臨若干挑戰(zhàn)，在如性能評估、實現(xiàn)跨領(lǐng)域應(yīng)用的基本原理和大規(guī)模應(yīng)用等方面仍需進(jìn)一步探索；關(guān)于蒸發(fā)焓的變化的理論上尚未得到充分解決，水相變化過程及其能量需求仍然是一個巨大挑戰(zhàn)；此外，將SSG從實驗室裝置轉(zhuǎn)化為商業(yè)化產(chǎn)品仍需要更深入的嘗試與探索。過去一段時間，學(xué)界對SSG的研究取得了諸多成果，SSG技術(shù)的轉(zhuǎn)化潛力即將得到驗證，并很可能實現(xiàn)于離網(wǎng)地區(qū)的應(yīng)用。除了水凈化和海水淡化，通過與特殊材料及器件進(jìn)行界面功能化設(shè)計，SSG 在其他應(yīng)用場景中也展現(xiàn)出了巨大潛力。大量研究表明，SSG的集成化設(shè)計在與水和能源可持續(xù)性密切相關(guān)的多種應(yīng)用中都能發(fā)揮顯著效用。為進(jìn)一步推動其未來發(fā)展并取得現(xiàn)實應(yīng)用效益，我們還需要審慎評估其中的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，但期待SSG能開辟出一條克服全球能源、水和環(huán)境問題的重要途徑。