【成果掠影 & 研究背景】

隨著全球淡水資源短缺和能源可持續(xù)發(fā)展的需求日益緊迫，太陽(yáng)能界面蒸發(fā)作為一種低碳環(huán)保的海水淡化技術(shù)受到廣泛關(guān)注。然而，鹽分在蒸發(fā)器工作區(qū)域的結(jié)晶會(huì)嚴(yán)重降低系統(tǒng)效率和壽命。傳統(tǒng)3D靜態(tài)蒸發(fā)器主要依賴(lài)水分子自擴(kuò)散，導(dǎo)致蒸發(fā)器周?chē)鷿穸冗^(guò)高、蒸汽擴(kuò)散困難，且難以管理鹽結(jié)晶。

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，南方科技大學(xué)等研究團(tuán)隊(duì)在《Advanced Materials》上報(bào)道了一種創(chuàng)新的動(dòng)態(tài)3D風(fēng)車(chē)式蒸發(fā)器。該蒸發(fā)器采用了Ti?C?T? MXene/Ti?O?復(fù)合光熱材料，通過(guò)簡(jiǎn)單的鉤編技術(shù)制備了風(fēng)車(chē)結(jié)構(gòu)，并利用逐層自組裝法進(jìn)行功能化修飾。其核心創(chuàng)新在于，通過(guò)調(diào)整風(fēng)車(chē)葉片的結(jié)構(gòu)和供水點(diǎn)位置，可以控制鹽溶液的傳輸與回流路徑，從而調(diào)控鹽結(jié)晶行為，實(shí)現(xiàn)鹽定點(diǎn)結(jié)晶在葉片邊緣頂點(diǎn)，與蒸發(fā)面空間隔離。在20 wt.%高濃度NaCl溶液中，該系統(tǒng)在420小時(shí)連續(xù)運(yùn)行中保持了2.25 kg m?2 h?1的高蒸發(fā)速率和41.2 g m?2 h?1的鹽收集速率。更值得注意的是，該風(fēng)車(chē)蒸發(fā)器可與微型發(fā)電機(jī)結(jié)合，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能；戶(hù)外測(cè)試中，單一動(dòng)態(tài)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高達(dá)12 V的峰值電壓和12.9 kg m?2 h?1的蒸發(fā)速率。最終，研究團(tuán)隊(duì)演示了一個(gè)集成“海水淡化-風(fēng)力發(fā)電-農(nóng)業(yè)灌溉”的系統(tǒng)，展現(xiàn)了綜合利用太陽(yáng)能、風(fēng)能與地能的多功能潛力。

【創(chuàng)新點(diǎn) & 圖文摘要】

創(chuàng)新點(diǎn)：

• 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新：首次設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)3D風(fēng)車(chē)式蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)，通過(guò)葉片數(shù)量和尺寸的設(shè)計(jì)，主動(dòng)調(diào)控流體路徑，實(shí)現(xiàn)了從被動(dòng)“防鹽”到主動(dòng)“管鹽”的策略轉(zhuǎn)變。

• 鹽結(jié)晶管理機(jī)制創(chuàng)新：通過(guò)調(diào)整供水點(diǎn)（底部或中心）和葉片結(jié)構(gòu)，精確控制鹽溶液的傳輸與回流，利用重力、濃度梯度與馬蘭戈尼效應(yīng)，成功將鹽結(jié)晶限制在葉片邊緣的特定頂點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了鹽結(jié)晶位置的空間可調(diào)和與蒸發(fā)面的有效隔離。

• 材料與光熱性能創(chuàng)新：創(chuàng)新性地構(gòu)建了MXene/Ti?O?復(fù)合材料，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算驗(yàn)證了其協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)。該復(fù)合材料顯著提升了光吸收率（濕態(tài)達(dá)98.82%）和光熱轉(zhuǎn)換效率，克服了純MXene膜高反射率的缺點(diǎn)。

• 持續(xù)運(yùn)行與鹽收集創(chuàng)新：系統(tǒng)在高達(dá)20 wt.%的鹽水中穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)420小時(shí)，并可通過(guò)“結(jié)晶-脫落”循環(huán)自動(dòng)收集鹽分，鹽收集速率達(dá)41.2 g m?2 h?1，為解決零液體排放和資源回收提供了新方案。

• 能源協(xié)同與集成應(yīng)用創(chuàng)新：將蒸發(fā)器葉片設(shè)計(jì)與微型電磁發(fā)電模塊結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了利用同一風(fēng)能同時(shí)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)（增強(qiáng)蒸發(fā)）和發(fā)電，峰值發(fā)電功率可達(dá)330 mW。并成功構(gòu)建了集“產(chǎn)水-發(fā)電-灌溉”于一體的演示系統(tǒng)，驗(yàn)證了實(shí)際應(yīng)用潛力。

• 理論模擬與機(jī)理驗(yàn)證：利用COMSOL Multiphysics建立了二維物理模型，模擬了不同結(jié)構(gòu)（如F10圓盤(pán)與F5葉片）和不同供水點(diǎn)下的鹽分傳輸與分布，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察高度吻合，從機(jī)理上支撐了鹽結(jié)晶定點(diǎn)調(diào)控的可行性。

Figure 1: 動(dòng)態(tài)3D風(fēng)車(chē)蒸發(fā)器的概念設(shè)計(jì)及多功能示意圖。

Figure 2: MXene/Ti?O?復(fù)合材料的表征及MT-PP-F的光熱性能。

Figure 3: 風(fēng)車(chē)蒸發(fā)器的蒸發(fā)性能及鹽結(jié)晶定位特征。

Figure 4: 鹽結(jié)晶行為的調(diào)控機(jī)制及長(zhǎng)期穩(wěn)定性能。

Figure 5: “海水淡化-風(fēng)電-灌溉”集成系統(tǒng)性能。

Figure 6: 室外實(shí)驗(yàn)性能及全球風(fēng)/光資源分析。

【總結(jié) & 原文鏈接】

綜上所述，本研究成功設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了一種多功能動(dòng)態(tài)3D風(fēng)車(chē)蒸發(fā)器。它通過(guò)精巧的結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的持續(xù)高效海水淡化，并創(chuàng)新地將鹽結(jié)晶管理從“阻止”變?yōu)椤岸c(diǎn)控制與收集”。該系統(tǒng)在高鹽環(huán)境下展現(xiàn)出卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。同時(shí)，它巧妙地利用風(fēng)能，在增強(qiáng)蒸發(fā)性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電，最終集成為一個(gè)可同時(shí)產(chǎn)出淡水、電能并支持農(nóng)業(yè)灌溉的綜合平臺(tái)。這項(xiàng)工作為應(yīng)對(duì)全球水-能-資源聯(lián)動(dòng)的挑戰(zhàn)提供了一種新穎、可持續(xù)且具有實(shí)際應(yīng)用前景的技術(shù)解決方案，推動(dòng)了多功能太陽(yáng)能蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

原文鏈接: https://doi.org/10.1002/adma.202514033

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