近日，南方科技大学机械与能源工程系助理教授林蒙团队报道了太阳能界面蒸发领域的相关工作，该工作通过使用实验和理论计算结合的方法来定量分析太阳能界面蒸发装置多物理场耦合的能量输运和转换过程，从传热传质的角度量化界面性质（蒸发界面的物理位置和厚度），从而指导优化蒸发器件的设计和效率的提升。相关研究成果以“Understanding Interfacial Properties for Enhanced Solar Evaporation Devices: From Geometrical to Physical Interfaces”为题发表在能源类期刊ACS Energy Letters上。
淡水资源短缺问题一直以来都是一个世界性的共同难题。在化石能源出现危机的情况下，利用太阳能进行海水淡化是解决全球淡水资源短缺问题的必由之路。然而，传统的太阳能海水淡化技术成本高昂，项目投资巨大，设备繁琐且系统效率低下，无法在缺水的贫困偏远地区得到应用和推广。简单成本低廉且灵活的太阳能驱动蒸发的策略，包括在水底部放置光热板、在水中分散光热转换纳米颗粒等。由于这些方法导致非蒸发界面的水体被加热，从而导致系统启动时间长且对保温要求高。基于界面蒸发的热局域化双层结构系统，能将蒸发过程中的热能维持在较薄的吸收层，获得高度重合的加热界面和蒸发界面，减少了向非蒸发界面水体的热损失，从而获得了更快的响应速度和蒸发效率。
一个典型的基于界面蒸发的太阳能双层结构系统主要包括顶部的光热层和底部的基质层两个部分。光热层由光热转换材料组成，要求其具有高效的太阳光吸收特性并将其转换成热能，加热水以实现水到水蒸气的快速转换。基质层应具备以下三个特性：（1）低导热性，以阻止热量散失到非蒸发界面的水体中，使其集中在空气-水界面；（2）亲水和多孔性，通过毛细力将待蒸发的水高效得输送到蒸发界面；（3）低密度，确保可以满足漂浮在水面，以迎合海水淡化的需求。
近年来，已经有许多相关的报道，通过开发不同的材料（如金属纳米颗粒，有机-无机复合材料，碳基材料（炭黑，碳纳米管，石墨烯）等作为光热层，木头，纤维素基材料，天然材料等作为基质层）和结构（一维、二维、三维）来提高系统的蒸发性能。尽管这些研究从材料和结构的角度对性能的提升提供了不同的思路，但是目前还没有研究揭示如何定量的设计材料参数和器件结构，来最大程度地提高系统的蒸发效率。同时，对于界面蒸发中的“界面”性质也缺乏定量的描述。
基于上述研究现状及所面临的问题，本工作首先通过使用实验和模拟耦合的方法来定量界面蒸发装置多物理场耦合的能量输运和转换过程，并分析界面蒸发的特性对装置性能的影响,如图1所示。同时，提出了“界面位置 – Interfacial location”和“界面厚度 – Interfacial thickness”两个界面性质量化参数（如图1红色虚线框内所示）来量化蒸发器中光学传输，热量传递以及水、汽输运的相互作用，从而指导蒸发器参数和器件结构的合理设计。“界面位置”被定义为系统中温度最高的截面的位置。“界面厚度”被定义为过热度不超过10%的厚度，过热度在这里指的是系统中的最高温度和远端环境温度的差值。
图1. 太阳能界面蒸发示意图
首先建立了二维的多物理场耦合模型来描述太阳能界面蒸发系统内部的光学传输及传热传质行为，探索了光学界面和热力学界面对蒸发性能的影响，通过调控吸收系数和导热系数来实现，如图2a所示。根据界面特性的不同，可将蒸发类型定量的分为：表面蒸发区域 – Interfacial region，过渡蒸发 – Transitional region，体积蒸发 – Volumetric region。典型的太阳能界面蒸发通常是在系统的最表面对入射光进行吸收并转换成热量用于蒸发过程，也就是在表面蒸发区域工作。通过研究发现对系统的界面特性进行合理的设计，使其在过渡蒸发区域工作，可以进一步地提升装置的蒸发性能。本研究中，当蒸发器吸收系数为400 m-1（“界面位置”为0.32，“界面厚度”为0.0027 m）时（图2b-2c）所示，蒸发效率达到峰值，此时入射光在蒸发器上表面靠下的位置 (过渡区域) 被完全吸收而不是在最表面 (表面蒸发区域)。通过热损失分析发现，过渡区域蒸发能有效减少系统对环境的辐射和对流损失，最大程度地提高蒸发性能（图2e）。
图2. 吸收系数和导热系数对蒸发性能的影响
为了验证理论结果，本工作使用亲水处理的具有不同孔径（PPI）的聚氨酯海绵作为吸收器来进行蒸发实验，如图3所示。对聚氨酯海绵进行了SEM，水接触角，吸收率等测试，并得到了不同孔径下对应的吸收系数(图3a-3d)。蒸发实验与模型结果基本吻合，进一步验证了界面特性优化的正确性和可行性（图3e-3f）。
图3. 不同吸收系数对蒸发性能影响的实验验证
通过对界面特性的理解，本工作设计了一个基于界面特性优化的在过渡区域工作的太阳能多级蒸发装置，如图4a所示。太阳光首先在吸光层进行光热转换，然后热量依次向下传递。待蒸发的水通过吸水通道被输运至蒸发层后产生蒸汽。下方为一层透气不透水的PTFE滤膜。蒸汽透过PTFE膜进入冷凝层，然后通过吸水通道被输运至淡水池。首先对级数进行了探索，发现10级是平衡蒸发性能和系统复杂程度的最佳级数（图4b-4c）。在过渡区域工作的10级蒸发器的最终蒸发速率可以达到5.38 kg-1 h-1,比在表面区域工作的多级蒸发器的性能提升了12%（图4e）。同时，系统可以在盐水的环境下稳定运行超过10个小时而不产生盐结晶的现象(图4g-4h)。
图4. 基于界面特性优化的太阳能多级蒸发装置及其蒸发性能
总之，本工作提出了“界面位置”和“界面厚度”两个量化界面性质的指标，定量的将蒸发类型分为：表面蒸发，过渡蒸发，体积蒸发。发现在过渡蒸发区域工作的蒸发器比常规设计的表面蒸发区域工作的蒸发器具有更好的蒸发性能。基于理论研究，设计了一个基于界面特性优化的在过渡蒸发区域工作的太阳能多级蒸发装置，蒸发效率为5.38 kg m-2 h-1，比在过渡蒸发区域工作的蒸发器的效率提高了12%左右。总之，本工作通过对太阳能界面蒸发系统中光学传输，热量传导以及水、汽输运的多物理场机制进行耦合理解，为蒸发器的材料设计和器件结构提供了重要的指导，为系统蒸发性能的提升提供了重要理论和实验依据。
南方科技大学联合培养博士生刘尚为论文第一作者，南科大科研助理李士腾为论文第二作者,林蒙为论文唯一通讯作者，南科大为论文第一单位。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c00054
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