近30年来，中国经济迎来快速发展,人们生活质量获得显著提升，但也不可避免伴随了CO2排放的加速增长。作为一种可再生、清洁环保新能源，对太阳能的高效吸收与利用是实施低碳发展战略,实现“双碳目标”的重要途径。近日，我校计算机与电子信息学院甘志星、狄云松、刘慈慧团队在利用太阳能来驱动水净化方面的研究取得新进展。相关研究成果以《Atmospheric water harvester-assisted solar steam generation for highly efficient collection of distilled water》为题发表在Journal of Materials Chemistry A (IF:12.732)，以及以《Highly-efficient solar steam generation with real time salinity monitoring for seawater desalination》为题发表在Advanced Sustainable Systems (IF:6.271)。
太阳能水蒸发技术是指利用太阳能从液态水中提取水蒸气，该技术可以用于污水处理和海水淡化，为发展环保、廉价的淡水生产技术提供了基础。由于水从液态到蒸汽的相变需要消耗能量，因此，基于宽谱太阳光吸收的高效光热效应及热能的管理是获得高水蒸发速率的关键。该团队研究发现，通过扩大冷蒸发面积能增强蒸发器从环境中捕获能量的能力，从而显著提高蒸发速率。因此设计了一种柱状分级式还原氧化石墨烯卷蒸发器。通过几何尺寸的优化，在一个标准太阳光照强度下，获得了4.0 kg∙m-2∙h-1蒸发速率，显著高于现有的平均水平。然而这种通过冷蒸发面获得的水蒸气的温度低于一般蒸汽，因而，这种冷蒸汽难以通过冷凝直接收集。为了克服这一缺陷，该团队开发了一种大气集水器(AWH)来辅助收集冷蒸汽。AWH收集到的水可以在太阳光照下，以热蒸汽的形式快速释放。这种AWH辅助的太阳能水蒸发技术不仅能有效收集冷蒸汽，还能进一步提高密封腔内的水蒸发速率。
该团队还受到中国古代油纸伞的启发，设计了一种伞状的三维蒸发装置。利用简单的折纸技术制造了这种纸伞，并在伞面涂敷石墨烯涂层作为太阳能吸收层，引入伞柄和伞架作为冷蒸发面，获得了优异的水蒸发性能。在一个标准太阳光照强度下，伞状的三维蒸发装置获得了2.7 kg∙m-2∙h-1的水蒸发速率，相当于二维平面石墨烯薄膜蒸发装置的两倍。并且该团队还开发了一种柔性光子晶体薄膜，可以通过结构色可视化检测海水盐度。在利用太阳能水蒸发技术进行海水淡化的过程中，可以通过观察结构色实时地监测淡化前后海水的盐度。
该系列研究成果证实了冷蒸发面可以有效提高太阳能水蒸发速率，为设计和开发新一代太阳能水蒸发技术提供了新思路。并且该成果还提供了冷蒸汽的收集方案，发展了海水盐度检测新技术。这些进展有望进一步推动太阳能水蒸发技术从实验室走向实际应用。
论文链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2022/ta/d1ta10040h
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adsu.202100430