【儀表網 研發快訊】太陽能作為清潔可再生能源正在為“雙碳”目標的實現不斷提供助力。集中式光電光熱利用技術由于成本高昂，難以在基礎設施較差地區大規模應用。為彌補這一不足，太陽能的分布式利用逐漸受到重視。太陽能驅動的光熱界面水蒸發(SSG)作為一種典型的分布式光熱利用技術，因其簡單實用性，受到國內外研究的青睞。SSG將光能轉化為熱能產生蒸汽，隨后通過冷凝獲取清潔水，為偏遠離網地區提供了一種簡易的水處理與清潔水制取方式。此外，通過降低設備成本和提升性能，SSG已逐漸顯示出其良好的經濟可行性(圖1)。
 

圖1 SSG的基本結構設計(a)、能量需求(b)及成本分析(c)
 

　　近年來隨著研究的逐步深入，SSG的太陽能轉化利用效率已得到顯著提高，甚至突破了常態下太陽能利用極限。當下報道的效率性能作為評價的主要指標已難以評估與界定一項研究工作的創新性與實際價值，SSG的研究重點已逐項向水處理與海水淡化以外的協同效應與功能化應用方向偏轉。近期的研究表明，將SSG的適用性擴展到水處理和海水淡化以外的領域，對其進行功能化修飾與主動設計，可以為關乎水和能源的實際問題提供創新性的解決方案。在此背景下，本文綜述了SSG在過去發展歷程中的里程碑式研究成果(圖2a)，討論了其在跨學科領域中的多樣化應用潛力，重點包括能源捕集及發電、清潔燃料生產、環境修復、鋰資源分離提取等。最后從基礎研究和實際應用角度分析了SSG未來發展的機遇和挑戰。
 

圖2 SSG的主要發展歷程(a)與冷凝水收集率問題(b)
 

　　【太陽能界面水蒸發的發展】
 

　　SSG具有顯著的界面熱局域優勢，能夠將熱量集中在水-空氣界面并有效減少熱損失，從而提高太陽能的轉化效率。通過先進的光吸收材料和熱管理策略，近期報道的SSG效率已普遍超過90%。等離子體、半導體、碳基材料以及有機小分子材料被廣泛研究以增強光吸收能力。此外，熱管理優化設計如熱隔絕與限域水傳輸有助于抑制朝水體方向的導熱損失，從而進一步提高蒸發效率。實際的水收集率同時取決于器件的冷凝性能，在封閉的蒸發腔室中冷凝過程將最終決定整個轉換過程的效率。有效的冷凝設計(如倒置疏水納米結構冷凝器)可以將太陽能-凝結效率提高至80-90%，保障實際液態水的收集量(圖2b)。
 

　　耐鹽特性是確保SSG在海水淡化作業中能夠長期穩定運行的關鍵指標，是除效率提升外的領另一個重要關注點。為此，學界開發了多種耐鹽結構，優異的耐鹽結構設計不僅提升了太陽能蒸發器的穩定性，也增進了對多孔太陽能蒸發器界面傳熱傳質的理解。相關研究主要圍繞擴散和對流驅動的排鹽策略進行結構設計，如大孔徑結構促進水鹽交換，解耦光吸收與水傳輸的Janus設計使實際蒸發面下移，基于單向虹吸流動和馬蘭戈尼效應的定向水鹽遷移等(圖3a-b)。
 

　　水蒸發的高相變焓是其高能耗的主要原因，通過降低相變焓可提高蒸發通量。基于水凝膠的蒸發器首次提出了這一概念，指出水分子與聚合物網絡的相互作用生成的界面水可降低焓并增強蒸發。然而，一般認為蒸發焓是一個狀態函數，其僅由初始狀態和最終狀態決定。盡管由于焓降低，界面水的蒸發需要的能量較少，但將本體水轉化為界面水同樣需要能量來打破氫鍵。因此，整個蒸發過程分為兩部分，每部分的總焓應等于直接轉化的焓。因此使用界面水作為中間狀態并不具有熱力學優勢。此外，近期研究發現通過形成分子團簇并利用光分子效應促進液態水轉化為氣態，比熱蒸發能耗需求更低。光分子效應涉及分子團簇的四極力和電場梯度，其對光波長、入射角和偏振的依賴性已獲初步驗證，為超越熱力學極限的蒸發過程提供了不同的解釋角度。針對蒸發焓降低的現象未來仍需進一步研究與論證，并需要理論與實驗驗證方法上的創新與突破(圖3c)。
 

　　圖3 SSG在耐鹽結構設計(a-b)、蒸發焓(c)、多級蒸發器(d)及ZLD(e)方面的研究進展

 

　　多級太陽能蒸餾器通過回收熱蒸汽的潛熱可大幅提升產水量。相關裝置在1個太陽光照下已實現385%的能量效率，產水量達5.78 kg m-1 h-1。多級蒸餾器還兼具冷卻功能，與太陽能電池板結合可實現清潔水與電力的協同聯產。多級設備的主要挑戰包括鹽堵塞問題、設備成本和復雜度增加，以及對溫度變化的響應。解決鹽堵塞問題并不意味著需要犧牲熱效率，為此基于溫鹽對流的新型策略近期被提出(圖3d)。除了多級蒸發，宏觀尺度三維蒸發器通過擴展蒸發面吸納環境熱量也可以直接提高光熱蒸發器的輸出，與此同時，三維蒸發器也展現了特有的零液體排放(ZLD)優勢。然而，由于SSG系統依賴空氣冷卻蒸汽生產冷凝水，實現超高蒸發量的環境熱能否同時作用于有效冷凝恐怕需進一步驗證(圖3e)。
 

　　【太陽能界面水蒸發的功能化調控與主動設計】
 

　　SSG在能量效率與持續性方面均已取得顯著成果，以上兩項關鍵指標將難以在未來全面地評判研究工作的創新性與重要性。如何圍繞SSG進一步開展創新性研究是亟需思考的問題。近期針對SSG的功能化調控與主動設計為其在水處理與海水淡化之外的跨領域應用帶來了諸多可能，并為推進水與能源緊密聯系的可持續目標的實現提供了多樣化策略。
 

　　在水蒸發誘導的能量轉換與發電技術方面(圖4)：基于微觀尺度水蒸氣與材料相互作用與系統的內源熱物變化，已提出包括熱電、機械制動、濃差和水伏效應等多種轉換策略。SSG可協同集成熱電模塊利用太陽能蒸發過程中的自發熱梯度實現熱電轉換，同時也能夠結合熱化學電池或反向電滲析利用鹽度梯度實現電能輸出的強化。基于SSG的機械轉換依賴于對水蒸氣響應的制動器材料，如水敏性生物膜，相關研究顯示整個美國地區可以貢獻325 GW的機械能輸出。此外，近期備受關注的水伏效應是水蒸發過程直接發電的基礎性突破。水分子從功能化納米多孔表面逸出時可產生蒸發勢，從而實現穩定持續的電能輸出。進一步理解能量轉換機制提高功率密度和器件高效集成被認為是SSG在微納發電領域未來研究的重點。
 

　　圖4 SSG在能量轉換與發電方面的功能化設計，主要涉及熱電轉換(a)、鹽差能(b)、機械制動(c)與水伏轉換(d)

 

　　在SSG驅動的醫用滅菌方面(圖5a)：SSG優異的界面熱局域特性可實現蒸汽溫度的快速提升，輸出的高溫高壓蒸汽為消除細菌和其他活體微生物提供了有效方法。到目前為止，實驗室規模的SSG滅菌器已在自然陽光下的實地測試中得到驗證。通過采用透明且隔熱的氣凝膠材料進行表面熱管理，可以抑制輻射和對流造成的熱損失，其效率和動力學性能已得到大幅提升；同時，非接觸式結構可以為裝置及重要組件提供有效保護，確保了其長期運行的穩定性。以上進展使基于SSG的滅菌消殺技術更加接近實際的落地使用。
 

　　在SSG輔助的化工合成方面(圖5b)：近期的進展顯示SSG在驅動化學反應方面展現了令人驚喜的能力。一個典型案例是SSG對酯化反應的促進，首先光熱表面提供了更多的活化反應位點，有趣的是，反應產物(即乙酸乙酯)伴隨蒸發過程被迅速分離出反應體系，反應平衡于是不斷向正向移動，持續推動了乙酸乙酯的高效合成。同時，熱化學反應與蒸發之間的協同作用也可以實現互利共贏，提升催化性能的同時增強蒸發過程。盡管相關研究數量有限，但上述案例表明SSG在化工領域的應用已展現廣闊的潛力。
 

　　在界面蒸發制冷方面(圖5c-d)：蒸發制冷功率取決于給定時間段內蒸發的水量，界面水蒸發結構具有天然的高蒸發量，因此，基于SSG的水蒸發過程具有顯著的制冷潛力與優勢。目前，對過熱太陽能電池板進行冷卻為其提供了理想的工作場景，并可帶來光電性能提升、光伏組件壽命延長與清潔水獲取等諸多好處。此外，蒸發制冷有助于冷源端的建立，與光熱形成的熱源相耦合可以協同提高熱電輸出。近期的研究進展為界面蒸發在更多領域的制冷(如電子冷卻和電池熱管理等)提供了諸多有價值的借鑒，鑒于許多行業應用(如數據中心)對制冷需求的不斷增加，具有更高制冷潛力的SSG或許會發揮愈發重要的作用。
 

　　圖5 SSG在醫用滅菌(a)、化工合成(b)和蒸發制冷應用(c-d)方面的功能化設計

 

　　在SSG輔助的環境修復方面(圖6a-c)：水處理是SSG的目標應用場景，但以往研究多數聚焦于海水淡化。實際上，水污染情況通常較為復雜，除了鹽分，還往往涉及各類其他污染物。如有機污染物近年來開始受到關注，尤其是揮發性有機化合物(VOCs)的去除，在SSG的材料選擇與結構設計層面需要額外的考慮。近期的進展表明，將SSG與光催化降解相結合是一種去除VOCs的有效方案。此外，公眾對自然水環境中諸如微塑料等新興污染物的擔憂也在與日俱增，近期的報道也突顯了SSG在微塑料吸附與定向去除方面的應用前景。
 

　　除水體污染，SSG在土壤修復與重金屬去除方面的功能化設計也受到了關注。以潮濕土壤作為水源，SSG通過毛細作用持續從土壤中抽取水分，使水分匯聚到蒸發器并同時攜帶重金屬離子，對蒸發器結構進行功能化修飾可以強化對金屬離子的吸附性與選擇性。該策略已成功實現對包括鉛、砷和鎘在內的多種重金屬的有效去除。為了更好地評估該方法的實際可行性，活性材料達到飽和吸附后的循環可再生能力與可擴展性也需要進一步驗證。此外，SSG在微生物(如微藻)的富集與捕獲方面也富有成效，未來有希望發展為克服水華問題并促進生物質生產的潛在途徑。以上SSG在水體、土壤修復方面取得的成果有望在未來激發更多的在環境領域內的交叉探索。
 

　　在SSG助力的清潔燃料生產方面(圖6d-e)：氫是重要的凈零排放清潔燃料和能源載體，光催化水分解與SSG的耦合產生了優異的協同強化效果。光吸收體材料經過催化劑負載后可作為漂浮式的光催化平臺，與傳統的浸沒式配置相比，這種漂浮式界面結構展現出了包括增強的光吸收、簡易氣體分離、增大的表面張力、抗聚集與毛細作用下的快速反應物傳質等獨有優勢。此外，由于不存在傳統設計中常出現的水下氣泡帶來的機械沖擊，光催化劑性能更加穩定。傳統光催化的另一個問題是需要純凈的水作為原料來維持分解過程，而SSG則可以就地取材為分解過程提供水源。這種獨立的混合反應器將非常適合與多孔吸附劑或金屬氫化物結合進行后續的氫氣儲存，為進一步完善分布式能源體系提供了一種選擇性方案。與此同時，基于SSG的其他清潔燃料的制取(如生物乙醇)也得到了開發，突出了SSG在離網條件下用于分布式綠色生物燃料生產的可行性和獨特優勢。
 

　　圖6 SSG在環境修復和清潔燃料生產方面的功能化設計，主要涉及VOCs的降解阻隔(a)、土壤重金屬離子去除(b)、水體微生物捕集(c)與光催化制氫(e-d)

 

　　此外，SSG在農業領域的應用也備受關注(圖7a-b)。SSG所生產的水資源可直接用于農作物的灌溉，避免特殊場景下灌溉水的欠缺，從而構建水-能源-糧食三位一體的生產系統，這一技術路線也將允許太陽能海上農場的完全自治運行。藉由SSG整合陸地、海洋和太陽能資源發展延伸而來的農業應用，可為水、能源和糧食相關的可持續目標的實現貢獻力量。
 

　　SSG的零液體排放(ZLD)能力激發了近期對水鹽聯產以及高值礦物資源提取的研究(圖7c)。其中，鋰資源的分離提取是當下研究的重點。近期的研究顯示，通過空間結構的設計與表面吸附修飾，SSG可實現遠超傳統手段的分離比，這表明SSG方法在海水/鹵水提鋰上具有高度選擇性的優勢。未來研究需進一步探討復雜離子體系下鋰鹽的分離純化與不僅限于鋰的其他礦物資源的提取，這也將對材料和結構設計提出新的要求。
 

　　另一個涉及SSG的熱門課題是吸附式大氣集水(AWH，圖7d)。和直接水蒸發不同，AWH產生的水蒸氣由吸附狀態經光熱轉換釋放而來，因此，吸附劑內部的水無法自由輸送到太陽能吸收表面，于是吸附水的解吸也不像SSG的蒸發速率那樣呈線性趨勢，而且吸附劑材料自身的吸水量有限。這些差異意味著，在結構設計和優化成分方面，解吸的動力學和焓要求需要優先考慮。近期的報道表明通過定向排列和分級有序的吸附劑結構設計有望克服以上限制，實現高產率的快速吸附/解吸循環。AWH與SSG同為近年來興起的新型水資源制取技術，兩者的耦合交叉將為克服全球水資源短缺問題帶來新的可能。
 

　　圖7 太陽能界面水蒸發在農業(a-b)、鋰提取(c)和AWH領域(d)的功能化應用

 

　　【未來展望】
 

　　功能化設計和交叉領域應用探索可為延續SSG相關研究以及推動太陽能的分布式利用做出重要貢獻。然而，SSG 自身在基礎研究與實際應用層面仍面臨若干挑戰，在如性能評估、實現跨領域應用的基本原理和大規模應用等方面仍需進一步探索；關于蒸發焓的變化的理論上尚未得到充分解決，水相變化過程及其能量需求仍然是一個巨大挑戰；此外，將SSG從實驗室裝置轉化為商業化產品仍需要更深入的嘗試與探索。過去一段時間，學界對SSG的研究取得了諸多成果，SSG技術的轉化潛力即將得到驗證，并很可能實現于離網地區的應用。除了水凈化和海水淡化，通過與特殊材料及器件進行界面功能化設計，SSG 在其他應用場景中也展現出了巨大潛力。大量研究表明，SSG的集成化設計在與水和能源可持續性密切相關的多種應用中都能發揮顯著效用。為進一步推動其未來發展并取得現實應用效益，我們還需要審慎評估其中的機遇與挑戰，但期待SSG能開辟出一條克服全球能源、水和環境問題的重要途徑。