清华大学曲良体教授团队EESJanus设计创海水淡化新纪录

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　　第一作者：Houze Yao
　　通讯作者：程虎虎博士、袁家寅副教授、曲良体教授
　　通讯单位：清华大学摩擦学国家重点实验室、斯德哥尔摩大学材料与环境化学学院
　　论文DOI: 10.1039/D1EE01381E
　　全文速览
　　太阳能驱动清洁水生产被认为是解决全球水资源短缺问题的有利途径。近年来，界面太阳能蒸汽系统通过将太阳能定位在太阳能光热转换材料界面上，从而大大提高水的蒸发效率。然而，由于入射太阳光和水蒸汽之间强烈的相互干扰现象，使得该系统能量损失巨大，进而限制了水蒸发和收集的最终效率。因此，水的比产率(SWP)仍远未达到令人满意的水平。SWP是每小时每太阳辐射面积下的水收集量，它可以反映产生水时的实际太阳能效率，也是海水淡化的一个关键问题。在本文中， 清华大学曲良体教授教授、程虎虎博士联合斯德哥尔摩大学袁家寅副教授等课题组 报导了一个合理设计的Janus界面太阳能蒸汽发生器(J-SSG)，它可以将薄膜发生器两侧的水蒸发和太阳能光热转换过程有效分离。在100 cm 2  的大面积下，J-SSG于1个太阳照射下的水蒸发率高达2.21 kg m −2   h −1  。更重要的是，该发生器可实现高达1.95 kg m -2   h -1  的创纪录SWP，对应的SWP效率高达88%。此外，在室外试验(北京，太阳能~15 MJ m -2   day -1  )时，该系统可以轻松实现每平方米获得10 L净化水。这种太阳能蒸汽发生系统的Janus界面工程为海水淡化制备纯净水提供了一种新策略和解决方案，具有重要的实际意义。
　　背景介绍
　　随着人口的增长和全球水资源的短缺，社会各界对高效清洁水生产系统的开发产生浓厚兴趣。尽管商业膜蒸馏和反渗透海水淡化技术已具有良好的发展，但其相对复杂的工艺、高昂的成本和引起的二次环境污染问题正日益受到关注。近年来，将清洁太阳能直接热利用于水蒸发过程，成为克服上述瓶颈的创新途径。然而，到目前为止，丰富的太阳能与传统太阳能蒸馏系统中较低的水产量(不足5 L m -2   day -1  )间仍存在着巨大的差距，传统系统中的水源必须加热到非常高的温度才能蒸发，因此在运行过程中会导致大量的能量耗散。
　　界面太阳能蒸汽发生系统可以将太阳能定位在光热转换材料中，从而最大限度地减少热损失，并提高水的蒸发能力。因此，在一个太阳(1 kW m -2  )下，截面蒸汽系统的水蒸发率(WER, >1.5 kg m -2   h -1  )比传统的太阳能蒸馏器增加了数倍。然而，太阳能驱动清洁水生产通常在封闭的系统中进行，包括水蒸发、冷凝和收集等过程。在这种情况下，水的比产率(SWP，即每小时每太阳辐射面积下收集的水)才是海水淡化的关键问题，而不是露天条件下的水蒸发率。在目前的界面太阳能蒸汽发生系统中，入射太阳光与产生的水蒸汽在同一表面上存在着强烈的相互干扰现象，使得水蒸发及最终生产效率受到严重限制。特别地，透射入射阳光的透明罩上会不可避免地会凝结水蒸汽，从而过滤掉约26%的输入太阳能。因此，目前报道的界面太阳能热脱盐系统的实际SWP低至0.75-1 kg m -2   h -1  ，SWP效率(η, SWP与WER的比率）低至30%-50%。换句话说，有效利用太阳能生产清洁水仍是一个巨大的挑战。
　　在本文中，作者开发出一种Janus界面太阳能蒸汽发生器(J-SSG)，其可以将水蒸发表面与太阳能吸收表面有效分离，从根本上避免了传统设计中同一表面上入射光和逸出蒸汽之间的相互干扰现象，从而大幅度提高海水淡化制备清洁水的性能。J-SSG系统中的太阳能吸收侧为微纳米混合抗反射结构，可以实现高效的太阳能吸收(>96%)和快速的光热转换；另一侧中水的蒸发能力也可通过聚乙烯醇(PVA)和壳聚糖等亲水聚合物得以增强，这些聚合物中存在大量的微通道和精细的多级多孔结构，从而提供充分的水传输效率和快速的水蒸发过程。同时，JSSG系统中金属骨架的高导热性可以使太阳能转换的热量轻易地从太阳能吸收侧转移到水蒸发侧，过程中几乎没有损失。因此，该J-SSG系统在大面积(100 cm 2  )的1个太阳照射下显示出高达2.21 kg m -2   h -1  的WER。更重要的是，在基于JSSG的海水淡化系统中，实现了创纪录般的1.95 kg m -2   h -1   SWP值和88%的高SWP效率。此外，该J-SSG系统在-75到+75度的更宽入射角范围内也能实现稳定的光吸收，这大大有利于实际环境中的自然光收集。在实际演示中，J-SSG器件可在室外(北京，太阳能~15 MJ m -2   day -1  )轻松获得每平方米10 L的纯化水，足以满足5人的饮用量(按每人每天2 L计算)。
　　图文解析
　　图1. 太阳能蒸汽发生器中蒸汽的形成过程示意图 ：(a)在传统的界面太阳能蒸汽发生系统中，光在太阳能吸收表面被吸收，同时水蒸汽原位产生，因此入射光将在很大程度上被水蒸气吸收、反射和散射，产生不可避免的能量损失；(b) 在J-SSG系统中，入射光被J-SSG中含有微纳混合抗反射结构的一侧被吸收，水蒸气在具有复杂多级多孔蒸发结构的另一侧产生，因此，水蒸汽和入射光被有效分离，从而减少蒸汽对太阳能的干扰。
　　图2. J-SSG的制备过程和光热转换性能 ：(a)以45度角拍摄的J-SSG (100 cm 2  )照片；(b)太阳能吸收表面的制备流程示意图，其中照片为铜箔经激光加工后的黑色表面；(c)水蒸发表面的制备流程示意图，其中照片和插图分布为水蒸发器侧的表面与横截面，在冷冻干燥后，多孔聚合物蒸发器被均匀填充在铜泡沫骨架中；(d)太阳吸收表面的SEM图；(e)太阳吸收表面的放大SEM图；(f)太阳吸收表面的紫外-可见-近红外光谱，其中黑线为AM 1.5 G时的归一化光谱太阳能照射密度；(g)红外图显示J-SSG吸收器在一个太阳照射下达到稳定状态后，不同入射角(0°、15°、30°、45°、60°和75°)时的温度；(h)不同入射角下J-SSG吸收器的吸收光谱，图示为不同入射角下的光吸收示意图。
　　图3. J-SSG器件中水蒸发侧的表征与性能测试 ：(a)初始铜泡沫的SEM图；(b)含有ACPA铜泡沫的SEM图，显示出ACPA中微米级的多孔结构；(c) ACPA中微米级孔的放大SEM图；(d) ACPA中纳米级孔的再放大SEM图；(e) PVA和乙酰化壳聚糖的分子结构示意图，可以得出ACPA中含有羟基、氨基和酰胺等多种亲水性官能团；(f) PVA、壳聚糖、壳聚糖/PVA气凝胶和ACPA的傅里叶变换红外光谱；(g)体相水和ACPA水化聚合物网络中的水分子示意图，体相水中充满着正常的水/水氢键(深蓝色)，而ACPA中具有水/聚合物氢键(橙色部分)和减弱的水/水氢键(浅蓝色部分)，从而使得水更容易蒸发；(h)差示扫描量热法测定水在ACPA和纯水中相变的能量变化曲线；(i)计算得出不同PVA/壳聚糖比例下纯水和ACPA中水的蒸发焓。
　　图4. J-SSG系统的传热能力和太阳能光热蒸发性能 ：(a) J-SSG 1个太阳照射下横截面(左半部分)和45度倾斜角(右半部分)下观察的红外成像图；(b)红色曲线：点2和点1达到相同温度的时间差，蓝色曲线：点3和点1达到相同温度的时间差，点1、2和3分别位于吸收器、J-SSG中部和蒸发器处；(c) COMSOL对J-SSG中热扩散的模拟结果，图为J-SSG在79.9 °C至80.0 °C下的温度分布情况，图像捕获的时间间隔为0.4秒；(d) J-SSG系统实现快速太阳能驱动光热水蒸发过程示意图，照片为J-SSG产生的蒸汽图；(e) J-SSG在不同供水率下水蒸发过程随时间变化的累积重量损失；(f) J-SSG在太阳照射从0.6至2.0 kW m −2  时的WER值。
　　图5. J-SSG基太阳能海水淡化系统的建立和原理验证 ：(a) J-SSG基太阳能海水淡化系统示意图，包括太阳能吸收和转换、水蒸发、水源储存/供应和水冷凝/收集系统；(b) J-SSG基太阳能海水淡化系统的左侧照片，其中清洁水被染成蓝色以便在视觉上与外部海水区分；(c) J-SSG基太阳能海水淡化系统在室外试验时的实际照片；(d) J-SSG基太阳能海水淡化系统中蒸发器和冷凝器的实时温度变化，直方图为蒸发器和冷凝器处于稳定状态时的表面湿度；(e) 太阳能海水淡化系统的理论模拟，左侧为冷凝系统的建模(与实际尺寸相对应)，右侧为蒸发器和冷凝器之间湿度的模拟平衡分布；(f) J-SSG基太阳能海水淡化系统在0.6~2.0 kW m -2  不同太阳照射下的SWP率；(g) J-SSG基太阳能海水淡化系统的SWP效率，x轴为不同材料在开放系统中的WER值，可以看出在不同蒸发条件下，本文中的太阳能海水淡化系统具有最高的SWP效率；(h)室外实验中太阳照射对J-SSG系统和SWP率的影响，该实验于2020年9月2日上午10:00至下午3:00在北京进行，照片为5小时内收集的清洁水。
　　总结与展望
　　在本文中，作者设计并开发出一种全新的Janus界面太阳能水蒸汽发生系统，有效避免了水蒸气对太阳光的干扰作用，从而实现具有优异的光热转换效率和实用的清洁水收集性能。所制备出的100 cm 2   J-SSG系统在1个太阳光照射下可以实现高达2.21 kg m -2   h -1  的WER值。重要的是，J-SSG器件的Janus界面设计方便了实际的水收集，在一个简单的集成水生产系统中可提供1.95 kg m -2   h -1  的高SWP值，SWP效率甚至达到创纪录的88%。此外，这种J-SSG器件可以在大范围的阳光入射角下实现高效光吸收，因此在全球大部分地区都适用。在概念验证室外实验中，该J-SSG器件可在每平方米采集10 L饮用纯净水(北京，太阳能~15 MJ m -2   day -1  )。作者设计出这种独特的Janus界面，将入射的太阳光与产生蒸汽的位置进行有效分离，并使其协同工作，为利用地球上丰富的太阳能生产清洁水提供了一条实用路线。
　　通讯作者介绍
　　曲良体 ，教授、博士生导师、长江学者特聘教授。围绕碳纳米材料、石墨烯、碳纳米管、导电与功能高分子的可控制备、功能修饰与组装开展研究，探究其在先进功能材料、高效能量转化与储存等方面的应用。研究领域涉及纳米与材料化学、电化学、绿色能源、柔性电子与储能器件等，例子包括石墨烯超结构、智能响应高分子、海水淡化、空气发电、新型电化学电池/电容器、微型能源器件及柔性器件等。在Science, Nature Nanotechnology, Nature Communications, Advanced Materials, Journal of the American Chemical Society等国际重要期刊发表SCI论文200多篇，论文他引两万余次，单篇论文最高他引2600余次。受邀请在Nature Reviews Materials, Accounts of Chemical Research, Chemical Reviews等撰写综述论文30余篇，专著1部，国际国内发明专利30余项。研究工作被Nature等专业刊物报道。主持科技部重点研发计划、国家基金委项目等多项。
　　袁家寅 ，博士，瑞典斯德哥尔摩大学副教授。2002、2004和2009年分别获得上海交通大学化学专业学士学位、锡根大学硕士学位和拜罗伊特大学博士学位。2009至2010年在德国马普学会胶体与界面研究所从事博士后研究工作。主要从事自组装、聚离子液体和多孔碳材料及器件的研究。以第一作者或通讯作者发表论文400余篇，并受邀担任 Adv Mater Inter等国际顾问编委、执行编委或编委。
　　程虎虎 ，博士，国家优秀青年基金获得者，清华大学助理研究员。主要从事低维纳米材料的制备、改性和组装调控，激光微纳加工，新型环境能量转化、先进能源存储等方面研究工作。相关研究成果目前在领域权威刊物等发表高水平SCI学术论文60余篇：其中第一和通讯作者发表论文20余篇，包括Nature Nannotechnology, Nature Communications, Account Chemical Research, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Nano Energy, Angew. Chem. Int. Ed等。申请或者授权专利10余项。主持有国家自然科学基金优秀青年基金，面上项目，青年项目，航天科工基金等等，参与了国家重点研发项目等。
　　文献来源
　　Houze Yao, Panpan Zhang, Ce Yang, Qihua Liao, Xuanzhang Hao, Yaxin Huang, Miao Zhang, Xianbao Wang, Tengyu Lin, Huhu Cheng, Jiayin Yuan, Liangti Qu, Janus-interface engineering boosting solar steam towards high-efficiency water collection.  Energy Environ. Sci.  2021, DOI: 10.1039/D1EE01381E.
　　文献链接：https://doi.org/10.1039/D1EE01381E