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曲良體&劉峰，最新Nature子刊！

成果展示

太陽(yáng)能界面水蒸發(fā)（Interfacial solar vapor generation, ISVG）是一種很有前途的技術(shù)，可以有效地從海水或污水中獲取淡水。然而，對(duì)于傳統(tǒng)的靜態(tài)蒸發(fā)模型，由于缺乏對(duì)蒸發(fā)過(guò)程中水運(yùn)動(dòng)和相變演化的動(dòng)態(tài)管理和自我調(diào)節(jié)，其性能的進(jìn)一步改進(jìn)遇到了瓶頸。

基于此，清華大學(xué)曲良體教授和程虎虎助理研究員、中科院力學(xué)研究所劉峰副研究員（共同通訊作者）等人報(bào)道了通過(guò)石墨烯包裹的Fe₃O₄納米顆粒（Fe₃O₄@G）的可控和可逆組裝，開(kāi)發(fā)了一種具有錐形陣列（conic array, CA）的可重構(gòu)和磁響應(yīng)蒸發(fā)器。不同于傳統(tǒng)的剛性蒸發(fā)結(jié)構(gòu)，可變形和動(dòng)態(tài)組件可以響應(yīng)變化的磁場(chǎng)在宏觀和微觀尺度上重新配置。組織良好的CA組件具有優(yōu)異的耐鹽特性、回收能力以及高蒸發(fā)率，同時(shí)CA組件在可變磁場(chǎng)中的實(shí)時(shí)重構(gòu)對(duì)周圍大氣造成宏觀擾動(dòng)，極大地促進(jìn)了水蒸氣擴(kuò)散（water vapor diffusion, WVD）。

在微觀層面上，內(nèi)部納米顆粒在CA組件內(nèi)自適應(yīng)地重新排列，建立了有利于水分傳輸?shù)奈镔|(zhì)內(nèi)部循環(huán)。與靜態(tài)蒸發(fā)相比，蒸發(fā)速率提高了23%。基于Fe₃O₄@G的三維（3D）磁性分層組裝，在1?kW?m^-2的太陽(yáng)光照下，靜態(tài)蒸發(fā)速率提高到4.80?kg?m^-2 h^-1，甚至可以在動(dòng)態(tài)蒸發(fā)過(guò)程中進(jìn)一步提高到創(chuàng)紀(jì)錄的5.88?kg?m^-2 h^-1水平。該工作為開(kāi)發(fā)可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的先進(jìn)太陽(yáng)能水蒸發(fā)系統(tǒng)提供了新的視角。

背景介紹

水資源短缺正在成為人類面臨的全球性生態(tài)挑戰(zhàn)，其中太陽(yáng)能界面水蒸發(fā)（Interfacial solar steam generation, ISSG）被認(rèn)為是一種從海水或廢水中獲取淡水的有前途的解決方案。目前，金屬納米顆粒、碳質(zhì)材料、二維（2D）材料、水凝膠等材料被用作蒸發(fā)器。同時(shí)，也提出了許多提高蒸發(fā)速率的有效方法，如三維（3D）ISSG、多級(jí)蒸發(fā)、供水控制、化學(xué)相變和電熱效應(yīng)的協(xié)同作用等。然而，蒸發(fā)性能的進(jìn)一步提高遇到了瓶頸。傳統(tǒng)蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)固定，無(wú)法拆卸和變形，因此通常會(huì)導(dǎo)致鹽沉積并降低蒸發(fā)效率。其中，大部分只涉及水的被動(dòng)流體流動(dòng)，水和鹽離子的主動(dòng)循環(huán)尚未見(jiàn)報(bào)道，這可以解決被動(dòng)對(duì)流中擴(kuò)散率慢的問(wèn)題。此外，在這些靜態(tài)蒸發(fā)系統(tǒng)中，蒸發(fā)速率很大程度上受到蒸發(fā)表面周圍積聚的水蒸氣的限制，這是由于從蒸發(fā)器到周圍環(huán)境的水蒸氣擴(kuò)散（WVD）不足造成的。雖然利用氣流可以增強(qiáng)WVD工藝，但是強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng)效率低且與當(dāng)前的封閉裝置不兼容。因此，推進(jìn)WVD是進(jìn)一步提高蒸發(fā)率的關(guān)鍵，至今仍是一個(gè)難以解決的難題。

圖文速遞

圖1.可重構(gòu)Fe₃O₄@G組件實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)蒸發(fā)

圖2. Fe₃O₄@G納米顆粒的制備與表征

圖3. Fe₃O₄@G組件的重構(gòu)性能

圖4. CA組件的靜態(tài)蒸發(fā)性能

圖5. CA組件的動(dòng)態(tài)蒸發(fā)

圖6.動(dòng)態(tài)蒸發(fā)增強(qiáng)效應(yīng)的機(jī)制

圖7. 磁性分層組件的動(dòng)態(tài)蒸發(fā)

小? 結(jié)

總之，作者利用Fe₃O₄@G納米顆粒的可逆組裝，開(kāi)發(fā)了一種可重構(gòu)和磁響應(yīng)的太陽(yáng)能水蒸發(fā)器。其中，獨(dú)特的磁場(chǎng)感應(yīng)錐形陣列（CA）組件使得蒸發(fā)器具有優(yōu)良的特性，包括良好的抗鹽能力、充足的水輸送、循環(huán)利用能力以及高蒸發(fā)率。對(duì)比傳統(tǒng)的靜態(tài)蒸發(fā)，CA組件在宏觀和微觀尺度上的動(dòng)態(tài)重構(gòu)導(dǎo)致蒸發(fā)速率提高了20%以上。通過(guò)宏觀磁體與CA組件的合理組合構(gòu)建了復(fù)雜的分層組件，在1次陽(yáng)光照射下實(shí)現(xiàn)了高達(dá)4.80?kg?m^-2 h^-1的創(chuàng)紀(jì)錄的高蒸發(fā)率。通過(guò)動(dòng)態(tài)蒸發(fā)，甚至可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)5.88? kg?m^-2 h^-1的更高蒸發(fā)速率。因此，可重構(gòu)的Fe₃O₄@G納米顆粒實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)和可重構(gòu)組裝為進(jìn)一步提高水蒸發(fā)性能提供了新的視角，有助于未來(lái)對(duì)ISSG領(lǐng)域的基本理解，以及太陽(yáng)能水蒸發(fā)系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)。

文獻(xiàn)信息

A reconfigurable and magnetically responsive assembly for dynamic solar steam generation. Nature Communications, 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-32051-3.

https://doi.org/10.1038/s41467-022-32051-3.

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