张珽团队EcoMat：基于分级纳米结构的高效、耐久的太阳能蒸发器

bianleng

洁净水源短缺困扰着超过世界四分之一的人口，也是引起传染病、贫穷等问题的根源。太阳能蒸汽发生器技术能在光照条件下直接产生洁净水源，为上述水源危机提供可靠的解决途径。近些年，研究人员通过提升太阳光吸收和光热转换效率、降低水的蒸发焓等手段，设计制造了一系列太阳能蒸发器以克服水蒸发过程中大量的能量消耗与弱的自然光输入之间的矛盾。然而，更高的能量利用效率依然需要在复杂的热管理与水的输运微妙平衡中去探寻。
       另一方面，盐水在快速蒸发过程中往往伴随着盐的结晶，这会显著限制蒸发器的光吸收效率降低净水效率。针对这一缺陷，表面疏水化与构建宏观水输运通道这两个策略被广泛应用于蒸发器设计以提升耐久性。但是，超疏水的表面无法消除盐结晶阻塞水输运通道的风险，同时较大尺寸的通道又会造成热的对流损失。同时具备高效净水能力和抗盐特性的太阳能蒸发器依然是充满挑战的课题。
        近日，中科院苏州纳米所张珽团队在前期基于功能化纳米通道的柔性水伏产电系统工作的基础上（Nat. Commun. 2022, 13:1043; Nano Energy. 2022, 99, 107356.）,通过多次冻融方法成功构建了具有垂直微米通道和离子选择特性纳米通道分级结构的高效抗盐太阳能蒸发器。得益于表面修饰磺酸根和独特的分级微纳结构特性，伞状的蒸发器可以有效地减少热对流损失并降低水的蒸发焓。在一个标准太阳光条件下，蒸发器的净水速度和能量利用效率分别高达3.68 kg m-2 h-1和91.1%。更重要的是，通过水伏流动电势监测证明具有高表面电势的纳米通道内存在着交叠双电层，赋予纳米通道离子选择性。结合微米通道良好的水输运能力，蒸发器显示了出色的抗盐特性，可以在海水条件下长时间（>96 h）保持大于90%的工作效率。
       该工作协同利用通道尺寸效应和表面特性制备兼具高速净水能力和高抗盐能力的太阳能蒸发器，同时也为蒸发驱动的水伏产电器件提供了创新的构建思路和应用场景。上述成果近期以题为“A highly efficient and durable solar evaporator based on hierarchical ion-selective nanostructures”发表在EcoMat上（EcoMat. 2022，e12289.），中科院苏州纳米所李连辉博士后为论文第一作者，张珽研究员为通讯作者。相关工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。

     图1. 太阳能蒸发器结构及工作机制示意图

     图2. 蒸发器光热转换及蒸发增强性能

     图3. 净水器的抗盐特性及耐久性

     图4. 净水器对独墅湖水的净化能力

      原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/eom2.12289
       文章来源：苏州纳米所
      张珽，中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员、博士生导师、课题组长。取得美国加州大学河滨分校博士学位；担任了全国专业标准化技术委员会委员、中国电子学会敏感技术分会（第四届）气湿敏传感技术专业委员会委员、中国科技大学纳米学院兼职博士生导师、Nature子刊Microsystems & Nanoengineering的编委会成员等学术任职。获得苏州工业园区第七届领军人才等荣誉称号。多次参加国际国内传感器、纳米技术、柔性电子学术会议做受邀报告，并担任2013年IEEE-NEMS国际会议分会主席 (Session Chair) 和2014年国际柔性与印刷电子会议（ICFPE2014）分会主席。