近30年來，中國經濟迎來快速發展,人們生活質量獲得顯著提升，但也不可避免伴隨了CO2排放的加速增長。作為一種可再生、清潔環保新能源，對太陽能的高效吸收與利用是實施低碳發展戰略,實現“雙碳目標”的重要途徑。近日，我校計算機與電子信息學院甘志星、狄云松、劉慈慧團隊在利用太陽能來驅動水凈化方面的研究取得新進展。相關研究成果以《Atmospheric water harvester-assisted solar steam generation for highly efficient collection of distilled water》為題發表在Journal of Materials Chemistry A (IF:12.732)，以及以《Highly-efficient solar steam generation with real time salinity monitoring for seawater desalination》為題發表在Advanced Sustainable Systems (IF:6.271)。
太陽能水蒸發技術是指利用太陽能從液態水中提取水蒸氣，該技術可以用于污水處理和海水淡化，為發展環保、廉價的淡水生產技術提供了基礎。由于水從液態到蒸汽的相變需要消耗能量，因此，基于寬譜太陽光吸收的高效光熱效應及熱能的管理是獲得高水蒸發速率的關鍵。該團隊研究發現，通過擴大冷蒸發面積能增強蒸發器從環境中捕獲能量的能力，從而顯著提高蒸發速率。因此設計了一種柱狀分級式還原氧化石墨烯卷蒸發器。通過幾何尺寸的優化，在一個標準太陽光照強度下，獲得了4.0 kg?m-2?h-1蒸發速率，顯著高于現有的平均水平。然而這種通過冷蒸發面獲得的水蒸氣的溫度低于一般蒸汽，因而，這種冷蒸汽難以通過冷凝直接收集。為了克服這一缺陷，該團隊開發了一種大氣集水器(AWH)來輔助收集冷蒸汽。AWH收集到的水可以在太陽光照下，以熱蒸汽的形式快速釋放。這種AWH輔助的太陽能水蒸發技術不僅能有效收集冷蒸汽，還能進一步提高密封腔內的水蒸發速率。
該團隊還受到中國古代油紙傘的啟發，設計了一種傘狀的三維蒸發裝置。利用簡單的折紙技術制造了這種紙傘，并在傘面涂敷石墨烯涂層作為太陽能吸收層，引入傘柄和傘架作為冷蒸發面，獲得了優異的水蒸發性能。在一個標準太陽光照強度下，傘狀的三維蒸發裝置獲得了2.7 kg?m-2?h-1的水蒸發速率，相當于二維平面石墨烯薄膜蒸發裝置的兩倍。并且該團隊還開發了一種柔性光子晶體薄膜，可以通過結構色可視化檢測海水鹽度。在利用太陽能水蒸發技術進行海水淡化的過程中，可以通過觀察結構色實時地監測淡化前后海水的鹽度。
該系列研究成果證實了冷蒸發面可以有效提高太陽能水蒸發速率，為設計和開發新一代太陽能水蒸發技術提供了新思路。并且該成果還提供了冷蒸汽的收集方案，發展了海水鹽度檢測新技術。這些進展有望進一步推動太陽能水蒸發技術從實驗室走向實際應用。
論文鏈接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2022/ta/d1ta10040h
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adsu.202100430