ENERG CONVERS MANAGE|面向協(xié)同磁熱 - 光熱效應(yīng)界面蒸發(fā)的相變集成磁性多孔碳

01

研究背景

淡水是全球可持續(xù)發(fā)展的基石，然而清潔水資源的稀缺已成為嚴(yán)峻的全球性挑戰(zhàn)，影響著近半數(shù)人口的生活與發(fā)展。太陽能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)技術(shù)因其高能效、低成本和結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，被視為海水淡化和污水凈化的可行途徑，尤其在離岸島嶼、偏遠(yuǎn)船舶等場景具有重要應(yīng)用前景。隨著對可持續(xù)水生產(chǎn)系統(tǒng)需求的增長，預(yù)計(jì)未來對高效、全天候的淡水收集技術(shù)的依賴將顯著提升。然而，傳統(tǒng)太陽能界面蒸發(fā)系統(tǒng)受限于太陽輻射的固有間歇性與低能量密度，難以在夜間或弱光條件下維持穩(wěn)定產(chǎn)水，這成為實(shí)現(xiàn)連續(xù)、可靠淡水供給的關(guān)鍵瓶頸。尤其是在實(shí)際環(huán)境條件下，如何有效存儲太陽能并在無光照時(shí)持續(xù)釋放熱能，以實(shí)現(xiàn)相變材料的高效熔化與凝固循環(huán)，是當(dāng)前界面蒸發(fā)技術(shù)走向全天候應(yīng)用的核心難題。相關(guān)工作以《Phase-change-integrated magnetic porous carbon for synergistic magnetothermal and photothermal interfacial evaporation》為題發(fā)表于《Energy Conversion and Management》期刊。（JCR一區(qū)，IF=13.5）

02

研究內(nèi)容

研究針對太陽能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)系統(tǒng)受限于太陽輻射的低能量密度與天然間歇性，難以實(shí)現(xiàn)全天候連續(xù)淡水生產(chǎn)的難題，提出相變集成磁性多孔碳的協(xié)同磁熱?光熱界面蒸發(fā)策略，圍繞三維磁相變復(fù)合材料PEG/CF/C@CoNPs開展可控制備、多模熱轉(zhuǎn)換與儲能調(diào)控及系統(tǒng)集成研究，為全天候淡水生產(chǎn)提供高效、連續(xù)、經(jīng)濟(jì)的解決方案。太陽能界面蒸發(fā)技術(shù)雖具有高能效、低成本及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，尤其適用于離岸島嶼、漁船等場景，但其依賴白晝光照的特性導(dǎo)致夜間或陰雨天氣下產(chǎn)水中斷。低品位含鹽水體（如海水、苦咸水）與污水資源化利用需求持續(xù)增長，傳統(tǒng)蒸發(fā)技術(shù)能耗高、依賴穩(wěn)定能源供給，無法滿足分布式、可持續(xù)的水源供給體系。核心技術(shù)方面，通過以廢棄PET與過渡金屬鈷為前驅(qū)合成Co?MOF并碳化制備磁性多孔碳（C@CoNPs），與碳化木漿海綿骨架（CF）及聚乙二醇相變材料（PEG?20000）經(jīng)真空浸漬復(fù)合成三維PEG/CF/C@CoNPs復(fù)合材料。該復(fù)合材料光吸收率達(dá)＞90%，磁飽和度達(dá)11.77?emu/g，并通過調(diào)控C@CoNPs含量（0–16?wt%）優(yōu)化熱導(dǎo)率與儲熱性能，實(shí)現(xiàn)在16?wt%時(shí)太陽能儲能效率87.78%，在12?wt%時(shí)磁熱儲能效率75.86%。耦合太陽能與交變磁場（AMF）加熱后，5?min內(nèi)可實(shí)現(xiàn)完全相變，相較于單一太陽能驅(qū)動(dòng)，顯著克服相變啟動(dòng)慢、儲能效率低的問題。性能方面，在1?sun光照與6.6?A磁場協(xié)同作用下，界面蒸發(fā)速率達(dá)2.99?kg·m?2·h?1（加熱階段）和1.18?kg·m?2·h?1（冷卻階段）；提升至3?sun與8.8?A時(shí)，蒸發(fā)速率進(jìn)一步提升至5.17?kg·m?2·h?1和1.56?kg·m?2·h?1，且在外界能源中斷后仍能依靠相變材料釋放潛熱維持蒸發(fā)（1.34?kg·m?2·h?1）。該體系在模擬廢水處理中對多種有機(jī)染料及酸堿污染物的去除率超過99.9%，海水淡化后出水電阻達(dá)8.36?MΩ，接近WHO飲用水標(biāo)準(zhǔn)，并通過定向排鹽設(shè)計(jì)有效抑制鹽結(jié)晶，保障長期穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)濟(jì)性評估表明，系統(tǒng)制造成本約565?RMB/m2，在“光?磁”協(xié)同模式下，單日淡水產(chǎn)量可達(dá)13.16?L，單位產(chǎn)水成本顯著低于市售飲用水價(jià)格，展現(xiàn)出良好的規(guī)模化應(yīng)用潛力。該研究通過耦合可再生能源驅(qū)動(dòng)的磁熱轉(zhuǎn)換與相變儲能，突破太陽能間歇性對界面蒸發(fā)連續(xù)性的制約，為分布式、全天候淡水供給提供了材料?系統(tǒng)?調(diào)控一體化的創(chuàng)新途徑，同時(shí)以廢棄塑料資源化利用為出發(fā)點(diǎn)，兼具環(huán)境友好與經(jīng)濟(jì)可行性的雙重優(yōu)勢。

03

研究數(shù)據(jù)

圖1.樣品與蒸發(fā)器制備示意圖：(a) PEG/CF/C@CoNPs 復(fù)合材料的制備流程；(b) 界面蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)與裝配流程。

圖2. 光熱-磁熱耦合界面蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖3. 樣品表面形貌與元素分布：(a–c) 磁性多孔碳（C@CoNPs）的SEM圖像；(d–f) 碳化木漿骨架（CF）的SEM圖像；(g–i) PEG/CF/C@CoNPs 復(fù)合材料的SEM圖像；(j–m) PEG/CF/C@CoNPs 復(fù)合材料的元素分布映射，展示了C、O和Co的分布。

圖4. 化學(xué)成分與官能團(tuán)分析：(a) C@CoNPs、CF、PEG-20000及PEG/CF/C@CoNPs的XRD圖譜；(b) PEG/CF/C@CoNPs的XPS全譜；(c-e) PEG/CF/C@CoNPs的XPS高分辨C 1 s、Co 2p及O 1s譜圖；(f) C@CoNPs、CF、PEG-20000及PEG/CF/C@CoNPs的FTIR光譜。

圖5. PEG與PEG/CF/C@CoNPs復(fù)合材料的熱性能：（a）DSC升溫曲線；（b）DSC降溫曲線；（c）熔化與結(jié)晶過程的相變溫度；（d）熔化焓與結(jié)晶焓；（e）80℃等溫加熱過程中記錄的照片；（f）總負(fù)載率與PEG負(fù)載率；（g）熱重分析（TGA）曲線；（h）微分熱重（DTG）曲線。S0–S5分別代表純PEG以及C@CoNPs納米顆粒含量為0wt%、4wt%、8 wt%、12 wt%和16 wt%的PEG/CF/C@CoNPs復(fù)合材料。

圖6. 不同PEG/CF/C@CoNPs復(fù)合材料的光熱性能：（a）光熱儲能示意圖；（b）CF、PEG-20000及PEG/CF/C@CoNPs復(fù)合材料的光吸收光譜（300–2500 nm）；（c）PEG/CF/C@CoNPs在2倍太陽光強(qiáng)照射下及黑暗環(huán)境中的溫度變化曲線；（d）CF、PEG/CF及PEG/CF/C@CoNPs在不同時(shí)間點(diǎn)的紅外熱像圖；（e）樣品S4在不同太陽光強(qiáng)（1–3倍太陽光強(qiáng)）下的升溫曲線；（f）樣品S4在不同太陽光強(qiáng)（1–3倍太陽光強(qiáng)）下的紅外熱像圖。

圖7. 不同PEG/CF/C@CoNPs復(fù)合材料的磁熱性能：（a）磁場輔助儲能示意圖；（b）磁滯回線；（c）10分鐘磁熱加熱及30分鐘冷卻過程中的溫度變化曲線；（d）對應(yīng)的紅外熱像圖；（e）樣品S4在不同線圈電流下的升溫曲線；（f）樣品S4在不同線圈電流下的紅外熱像圖。

圖8. 太陽能輻照與交變磁場下的光熱與磁熱轉(zhuǎn)換性能：（a）熱能存儲與釋放過程示意圖；（b）不同復(fù)合樣品（S1–S5）的升溫與降溫曲線；（c）S4樣品在不同條件下的升溫曲線；（d）S4樣品在不同條件下的紅外熱像圖。

圖9. 界面蒸發(fā)性能：(a) 界面蒸發(fā)裝置示意圖；(b) 不同條件下水分損失對比；(c) S4樣品表面溫度變化曲線；(d) S4蒸發(fā)過程中的水分損失量；(e) S4蒸發(fā)速率分析；(f) S4蒸發(fā)過程的紅外熱像圖序列。

圖10. 能量輸入對熱存儲與界面蒸發(fā)的影響：(a) 不同太陽光強(qiáng)與交變磁場條件下水分質(zhì)量變化；(b) 對應(yīng)的界面蒸發(fā)速率；(c) 間歇性太陽光照下的界面蒸發(fā)行為；(d) 針對太陽光照間歇性及能量補(bǔ)償策略的蒸發(fā)速率對比；(e) 連續(xù)30次測試循環(huán)中蒸發(fā)速率隨循環(huán)次數(shù)的變化。

圖11. 廢水凈化與抗鹽污性能：(a) 蒸汽冷凝與收集系統(tǒng)示意圖；(b–e) 酚紅、亞甲基藍(lán)、甲基橙及羅丹明B凈化前后的UV-Vis吸光度對比；(f) 酸性及堿性水凈化前后的pH值對比；(g) 不同蒸發(fā)條件下的鹽沉積對比。

04

研究結(jié)論

本研究通過相變與磁熱協(xié)同策略，成功構(gòu)建了一種三維磁性相變復(fù)合材料（PEG/CF/C@CoNPs），實(shí)現(xiàn)了全天候、高效的界面蒸發(fā)與淡水生產(chǎn)：該復(fù)合材料在16 wt% C@CoNPs負(fù)載下光熱儲能效率達(dá)87.78%，在12 wt%負(fù)載下磁熱儲能效率最高為75.86%；光熱與磁熱耦合可在5分鐘內(nèi)完成全相變，并在1 sun與6.6 A條件下實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)速率2.99 kg·m?2·h?1（加熱階段）與1.18 kg·m?2·h?1（冷卻階段），在更強(qiáng)輸入條件下進(jìn)一步提升至5.17 kg·m?2·h?1和1.56 kg·m?2·h?1；針對太陽能間歇性問題，在光照中斷時(shí)引入交變磁場加熱可使蒸發(fā)速率達(dá)3.37 kg·m?2·h?1，停止供能后仍能維持1.34 kg·m?2·h?1的蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定的界面蒸發(fā)；該體系對模擬廢水中多種污染物的去除率超過99.9%，海水淡化后水質(zhì)接近WHO飲用水標(biāo)準(zhǔn)，且通過定向排鹽設(shè)計(jì)有效抑制了鹽沉積，保障了長期運(yùn)行穩(wěn)定性；此外，該蒸發(fā)器制造成本較低（565 RMB/m2），在“光熱+磁熱”協(xié)同模式下產(chǎn)水成本顯著低于市售飲用水，具備良好的經(jīng)濟(jì)性與實(shí)際應(yīng)用潛力。該研究為克服太陽能間歇性限制、實(shí)現(xiàn)全天候淡水生產(chǎn)提供了材料?系統(tǒng)協(xié)同新思路，對推動(dòng)可再生能源驅(qū)動(dòng)的海水淡化與廢水凈化技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

https://doi.org/10.1016/j.enconman.2025.120813

聲明：僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，如有不科學(xué)之處請?jiān)谙路搅粞灾刚。。?/p>