Materials Horizons|用于創紀錄界面太陽能蒸發的3D打印銅蒸發器支撐體

研究背景

隨著全球人口的快速增長和人類活動的擴張，淡水短缺已成為一個嚴峻的全球性問題，而利用太陽能作為唯一能源驅動清潔水生產的界面太陽能蒸發（ISE）技術被視為緩解這一危機的可持續方案 。然而，ISE技術的實際應用目前面臨一個關鍵瓶頸，即其蒸發性能高度依賴于太陽輻射的可用性和強度，在無光照條件下蒸發率通常會下降69-87%，且自然界中不穩定的天氣條件和有限的高強度日照時長（例如許多沿海城市每日有效高強度日照少于6小時）難以保障連續且穩定的蒸發性能 。盡管目前已有利用相變材料（PCMs）儲熱或引入焦耳加熱等策略來緩解光照不足的影響，但這些方法通常存在熱儲能容量有限、維持時間短、封裝工藝復雜或需要額外外部電能輸入等缺陷，損害了ISE系統的被動性和簡潔性 。相比之下，地球上的體相水由于具有極高體積熱容，本身就是一個巨大的天然被動熱庫，但現有的蒸發器設計在太陽能蒸發過程中往往面臨熱量從蒸發表面向體相水傳導流失（即熱傳導損失）的問題 。因此，如何通過精細的結構設計逆轉這一熱流方向，利用高導熱材料有效地從體相水中提取熱能以補充太陽能輸入的不足，從而在弱光或無光條件下維持高蒸發率，成為了克服現有ISE技術局限并實現全天候高效海水淡化的重要研究方向 。

相關工作以“A 3D printed Cu evaporator support for record-high interfacial solar evaporation”為題，發表在《Materials Horizons》期刊上。（JCR一區，中科院二區TOP，IF=12.1）

相關數據

圖1：高導熱銅支撐的ISE系統在太陽蒸發過程中光熱效應和能量傳遞過程的示意圖

圖2：蒸發器的制備與表征

（a） 銅支撐的3D打印工藝，以及（b） 用3D打印銅支撐準備蒸發器的示意圖。（c） 3D 打印的銅支撐，（d） 帶有PDA涂層的銅支撐，（e） 光熱層，以及 （f） 光熱層中的纖維素纖維的SEM圖像。（g） 水在rGO-纖維素-SA水凝膠層上的接觸角。

圖3 （a） 帶有鰭片的銅支架結構示意圖

（b1-b4銅蒸發器、銅蒸發器-6F、銅蒸發器-10F、銅蒸發器-14F的照片。PLA蒸發器、銅蒸發器和帶鰭銅蒸發器的質量變化（c）和蒸發速率（d）。銅蒸發器質量變化（e）及蒸發率（f）銅蒸發器-14F-5m、銅蒸發器-14F-15m。（g）蒸發器的頂部和側面面積。（h）蒸發器的表面溫度。（i）計算出來自不同來源的能量輸入。（j）不同蒸發器三種能源輸入的能量比值。（k）理論計算的能量輸入與水蒸發所需能量的比較。

圖4 （a1–6） 從銅蒸發器、Cu-蒸發器-6F、Cu-蒸發器-10F、Cu-蒸發器-14F、銅-蒸發器-14F-10m和Cu-蒸發器-14F-15m的散裝水中提取能量的模擬結果。（b1–3） Cu蒸發器、Cu蒸發器-6F和Cu-蒸發器-14F-15m的蒸氣擴散模式模擬結果。

圖5 （a）示意圖：展示了使用源測量單元在海水中測量銅支撐保護系統電壓的實驗裝置，系統的開路輸出電壓（b）和短路電流（c）。Cu-蒸發器-14F-5m在天然海水中的質量變化（d）和蒸發速率（e），該保護系統在太陽和黑暗條件下的表現。（f） Cu蒸發器-14F-5m在戶外測試中的照片。（g）戶外測試中的太陽能強度、環境溫度和濕度。（h）原始海水和收集蒸汽的高離子濃度。

研究結論

本研究證實了從體相水中收集熱能對于顯著提升界面太陽能蒸發（ISE）性能具有關鍵作用 。通過合理設計具有高導熱系數且經過結構優化的3D打印銅蒸發器支撐體（特別是引入延長的翅片結構），研究人員成功擴大了蒸發表面積并增強了從體相水中提取熱能的能力，從而在1.0個太陽光照強度下實現了11.15 kg m-2 h-1的創紀錄蒸發率 。能量分析表明，在該系統中，來自體相水的熱能貢獻已超過太陽能輸入，成為水蒸發的主導能源，這有效緩解了ISE技術對直接太陽光強度的依賴，為實現全天候、連續的高效水蒸發提供了可行的解決方案 。此外，該研究還通過鋅耦合設計引入了內置的犧牲陽極防腐機制，在有效保護銅支撐體免受海水腐蝕的同時，利用電偶效應在海水淡化過程中實現了同步發電，驗證了該系統在實際應用中的耐用性與多功能性 。

DOI:10.1039/D5MH02102B

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