中国海洋大学徐晓峰

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淡水是人类社会生存和发展的基础。随着人口的增长、气候的变化、工业化以及日益严重的水污染，淡水短缺已经成为一个全球性的问题。太阳能是地球上最丰富的可再生能源，而太阳能的开发利用也为淡水生产和环境修复提供了新的途径。界面水蒸发是一种利用光热材料局域化太阳能来提高水蒸发能力的新方法，近年来受到越来越多的关注。蒸发焓循环、冷凝热转换和环境能量输入等策略将界面水蒸发速率提高到理论极限以上，光热转换效率超过100%。拥有额外冷蒸发面的3D蒸发体，不仅可以减少热量损失，还可以从周围环境中获取额外的能量，这可以显著提高蒸发速率。但是，这类蒸发体由于其细长的结构和高长径比，相比传统蒸发体通常表现出更差的自漂浮稳定性。这使得其在蒸发过程中无法抵抗开阔水域中持续的海浪冲击，进而限制了其实际应用性。因此，如果蒸发体能在获得高蒸发速率的同时，还能拥有抗倾覆的能力，将是非常理想的。

        为了解决以上问题，中国海洋大学徐晓峰教授课题组和刘爽副教授课题组以纤维素作为主体材料，通过理论计算和结构设计，构筑了一体式自校正的界面蒸发体。合理的结构组成赋予了蒸发体稳定的自漂浮特性和出色的水蒸发性能。此外，蒸发体还可以通过吸附和蒸发的方式净化含Co2+废水，之后通过高温煅烧处理吸附后样品获得了Co3O4/C催化剂，其具有较好的CO催化氧化活性。
       自漂浮和抗倾覆是蒸发体结构设计的关键。因此，我们通过理论计算确定了各结构组件的参数，并进行了相关的性能测试。蒸发体在水中能够稳定地漂浮，推动蒸发体到一定程度后，蒸发体能够在~140 ms时往回翻转，并在~180 ms时恢复到原来的垂直漂浮状态。这一过程可以在任何位置进行，无需任何干预，说明蒸发体具有极好的自校正能力。在流动水中进行了动态抗倾覆试验，蒸发体在持续高速振荡下，始终能够直立返回，表现出良好的抗倾覆性能。
       合理的结构设计可以实现蒸发体光吸收、热分布、水扩散和环境能量输入的协同管理。在1个太阳下，该蒸发体可以获得4.21 kg m−1 h−1的超高水蒸发速率。得益于蒸发体的高长径比结构和环境能量输入，所构筑的单级太阳能水净化装置的最大淡水收集速率为~3.46 L m−2 h−1，超过了大多数单级和多级太阳能蒸馏器。此外，蒸发体可以同时以蒸发和吸附的方式净化含Co2+废水。而通过热解含Co2+气凝胶得到的Co3O4/C催化剂表现出了良好的CO催化氧化活性。这项工作为开放水域中使用的界面蒸发体的设计提供了新的见解，并为废水净化后的受污染样品的处理提供了一种有效方法。


论文信息：
Efficient Solar-Powered Interfacial Evaporation, Water Remediation, and Waste Conversion Based on a Tumbler-Inspired, All-Cellulose, and Monolithic Design
Jintao He, Na Li, Shuxue Wang, Shuai Li, Jingjing Li, Liangmin Yu, Shuang Liu*, Petri Murto, Xiaofeng Xu*
Advanced Sustainable Systems
DOI: 10.1002/adsu.202200256
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adsu.202200256