南方科技大學(xué)徐保民教授AM：動(dòng)態(tài)3D風(fēng)車蒸發(fā)器問世：實(shí)現(xiàn)持續(xù)海水淡化、定點(diǎn)結(jié)晶收鹽與發(fā)電一體化

隨著全球工業(yè)和人口的增長，淡水資源短缺與可持續(xù)能源問題日益嚴(yán)峻。太陽能蒸汽發(fā)電因其能源效率高、成本較低，成為緩解水危機(jī)的重要技術(shù)之一，但蒸發(fā)器內(nèi)部鹽分結(jié)晶導(dǎo)致的效率下降和壽命縮短一直是該領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)。同時(shí)，風(fēng)能作為清潔可再生能源的重要組成部分，與太陽能的綜合利用備受關(guān)注，但如何在同一系統(tǒng)中協(xié)同實(shí)現(xiàn)高效脫鹽、鹽分管理與發(fā)電，仍是亟待突破的難題。

近日，南方科技大學(xué)徐保民教授、林蒙副教授和南華大學(xué)王行柱教授團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新的動(dòng)態(tài)3D風(fēng)車蒸發(fā)器，成功實(shí)現(xiàn)了連續(xù)海水淡化、局部定點(diǎn)鹽結(jié)晶與收獲，并兼具風(fēng)力發(fā)電功能。該系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)風(fēng)車葉片結(jié)構(gòu)與供水點(diǎn)位置，控制鹽溶液輸運(yùn)與回流路徑，使鹽分僅在葉片邊緣頂端結(jié)晶，與蒸發(fā)面空間隔離，從而維持穩(wěn)定的蒸汽生成與鹽收集。在20%氯化鈉溶液中連續(xù)運(yùn)行420小時(shí)后，系統(tǒng)仍保持2.25 kg·m?2·h?1的高蒸發(fā)速率和41.2 g·m?2·h?1的收鹽速率。此外，結(jié)合微型發(fā)電機(jī)，該風(fēng)車蒸發(fā)器可將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，在戶外測試中單系統(tǒng)峰值電壓達(dá)12 V，蒸發(fā)速率達(dá)12.9 kg·m?2·h?1。該研究最終構(gòu)建了一套“海水淡化—風(fēng)能發(fā)電—灌溉”一體化系統(tǒng)，為應(yīng)對水—能源—糧食協(xié)同挑戰(zhàn)提供了新思路。相關(guān)論文以“Enabling Dynamic 3D Windmill Evaporator for Continuous Water Desalination, Localized Point Salt Crystallization and Harvesting, and Power Generation”為題，發(fā)表在

Advanced Materials

研究團(tuán)隊(duì)首先制備了以棉纖維為基底、負(fù)載MXene/Ti?O?復(fù)合光熱材料的3D風(fēng)車結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器。通過掃描電鏡觀察，復(fù)合材料在纖維表面形成粗糙突起，顯著提升了對太陽光的吸收能力。X射線光電子能譜分析證實(shí)了Ti–O–Ti鍵的形成，表明MXene與Ti?O?之間存在化學(xué)相互作用。在濕潤狀態(tài)下，該材料在280–2500 nm波長范圍內(nèi)的光吸收率高達(dá)98.82%，光熱轉(zhuǎn)換效率較未處理纖維提升140%。

圖1 三維風(fēng)車蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)與功能示意圖，展示其用于持續(xù)海水淡化、局部鹽結(jié)晶與收集以及風(fēng)力發(fā)電的一體化設(shè)計(jì)。

蒸發(fā)器的熱管理性能通過紅外熱成像得以驗(yàn)證：在模擬太陽照射下，蒸發(fā)器前沿溫度顯著高于水體，而葉片邊緣溫度甚至低于環(huán)境溫度，說明系統(tǒng)能有效抑制向水體的熱損失，并從環(huán)境中捕獲熱量。一維供水路徑與雙面蒸發(fā)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步擴(kuò)大了有效蒸發(fā)面積，提升了蒸汽擴(kuò)散效率。在1個(gè)太陽光照下，蒸發(fā)速率達(dá)2.63 kg·m?2·h?1，效率達(dá)96.4%。

圖2 （a,b）MXene/Ti?O?的透射電鏡與高分辨電鏡圖像，以及C、F、O、Ti元素分布圖；（c）MXene、Ti?O?與MXene/Ti?O?的X射線衍射圖譜；（d）M-PP-F與MT-PP-F的掃描電鏡圖像；（e）原始纖維、PP-F、T-PP-F與MT-PP-F的XPS全譜；（f）MT-PP-F中Ti 2p與O 1s的高分辨XPS譜；（g）干燥狀態(tài)下MXene、Ti?O?與MXene/Ti?O?薄膜的反射光譜；（h）原始纖維、M-PP-F、T-PP-F與MT-PP-F的光吸收譜；（i）不同太陽光照下濕潤三維風(fēng)車MT-PP-F蒸發(fā)器正面溫度隨時(shí)間變化曲線。

圖3 （a）三維風(fēng)車MT-PP-F5蒸發(fā)器表面溫度分布；（b）水、原始纖維、PP-F、M-PP-F與MT-PP-F5在一太陽光照下的質(zhì)量變化；（c）三維風(fēng)車蒸發(fā)器示意圖，包括一維水輸運(yùn)、全維度蒸汽擴(kuò)散與擴(kuò)大蒸發(fā)面積；（d）不同葉片數(shù)量的40 mm直徑MT-PP-F蒸發(fā)器蒸發(fā)速率比較；（e）三類主流抗鹽蒸發(fā)器與MT-PP-F5蒸發(fā)器的性能對比；（f–h）在10% NaCl溶液中，鹽結(jié)晶在MT-PP-F10蒸發(fā)器表面、MT-PP-F4及MT-PP-F7葉片固定點(diǎn)的形成圖像。

針對高鹽度水處理，風(fēng)車蒸發(fā)器展現(xiàn)出獨(dú)特的鹽分管理能力。通過調(diào)節(jié)葉片數(shù)量與供水方式，鹽結(jié)晶可被精確控制在葉片頂端特定位置，而非遍布蒸發(fā)面。在10%鹽水中，多葉片蒸發(fā)器鹽結(jié)晶分布于多處，而優(yōu)化后的五葉片結(jié)構(gòu)僅在一側(cè)葉尖形成單點(diǎn)結(jié)晶。COMSOL模擬進(jìn)一步揭示了鹽分輸送與回流路徑受重力與濃度梯度的協(xié)同調(diào)控，與實(shí)驗(yàn)觀測高度吻合。

圖4 （a）3.5% NaCl溶液中鹽結(jié)晶在MT-PP-F5葉片固定點(diǎn)（單點(diǎn)）的圖像，結(jié)晶鹽可被收集；（b）15% NaCl溶液中從葉片底點(diǎn)供水的MT-PP-F5蒸發(fā)器在兩處葉尖結(jié)晶的圖像；（c）從中心點(diǎn)供水的MT-PP-F5蒸發(fā)器表面鹽結(jié)晶逐漸覆蓋的圖像；（d,e）COMSOL模擬的鹽濃度分布與回流路徑；（f–i）COMSOL模擬的不同供水方式下鹽濃度分布、溶液輸運(yùn)路徑與流速分布；（j）在20% NaCl溶液中連續(xù)脫鹽420小時(shí)的性能曲線；（k）脫落的結(jié)晶鹽收集圖像；（l）三組MT-PP-F5蒸發(fā)器在間歇旋轉(zhuǎn)與20%鹽濃度下運(yùn)行300小時(shí)后表面無鹽結(jié)晶的圖像。

研究團(tuán)隊(duì)還將微型電磁發(fā)電模塊集成于風(fēng)車轉(zhuǎn)軸，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力驅(qū)動(dòng)下的持續(xù)發(fā)電。在7.9 m/s風(fēng)速下，系統(tǒng)可點(diǎn)亮燈泡；風(fēng)速升至10 m/s時(shí)，開路電壓達(dá)13.8 V，輸出功率330 mW。多個(gè)模塊串聯(lián)后可進(jìn)一步提升電壓輸出，展現(xiàn)出規(guī)模化應(yīng)用的潛力。

圖5 （a）海水淡化—風(fēng)能發(fā)電—灌溉系統(tǒng)示意圖；（b）南海水淡化前后四種主要離子濃度對比；（c）海水、自來水與凈化海水灌溉下小麥與豌豆在第3、5、8、11天的生長圖像；（d）小麥與豌豆隨培養(yǎng)時(shí)間的株高變化；（e）不同風(fēng)速下風(fēng)力發(fā)電模塊的開路電壓及7.9 m/s風(fēng)速下點(diǎn)亮燈泡的圖像；（f）單風(fēng)力發(fā)電設(shè)備在不同風(fēng)速下的最大輸出功率；（g）多設(shè)備串聯(lián)后的開路電壓；（h）風(fēng)速啟停循環(huán)下的開路電壓曲線。

最終，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了集脫鹽、發(fā)電與灌溉于一體的演示系統(tǒng)。經(jīng)蒸發(fā)凝結(jié)后的水質(zhì)離子濃度降低3–4個(gè)數(shù)量級，符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)。使用凈化水灌溉的小麥與豌豆發(fā)芽生長良好，與自來水灌溉組相當(dāng)，而直接用海水灌溉的種子則無法發(fā)芽。在深圳灣進(jìn)行的戶外實(shí)驗(yàn)中，單系統(tǒng)日均產(chǎn)水量達(dá)17.6 kg/m2，且蒸發(fā)器表面無鹽堆積，展現(xiàn)出良好的實(shí)際應(yīng)用性能。

圖6 （a）系統(tǒng)長期運(yùn)行穩(wěn)定性測試；（b）深圳灣實(shí)際測試中單系統(tǒng)電壓與蒸發(fā)速率；（c）全球主要沿海城市分布與太陽輻照度；（d）2024年3月25日各時(shí)段多洲沿海城市風(fēng)速；（e）戶外實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場照片；（f）戶外實(shí)驗(yàn)中太陽通量、蒸發(fā)器表面溫度、環(huán)境溫度與累計(jì)產(chǎn)水量隨時(shí)間變化。

該研究不僅提供了一種高效、耐鹽、可長期運(yùn)行的太陽能蒸發(fā)解決方案，更通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了鹽分定向結(jié)晶與自動(dòng)脫落收集，突破了傳統(tǒng)蒸發(fā)器鹽垢堵塞的瓶頸。結(jié)合風(fēng)力發(fā)電與農(nóng)業(yè)灌溉，該系統(tǒng)為沿海缺水地區(qū)的水—能源—糧食協(xié)同供給提供了可持續(xù)的技術(shù)路徑，有望推動(dòng)太陽能海水淡化技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用與規(guī)模化部署。