蒸发，凝聚，富集是天然香料提取中经常发生的物态变化。受此启发，通过界面材料和富集构型的设计，有望提高太阳能利用率，提升海水净化能力。
近日，香料香精化妆品学部胡静教授团队在太阳能驱动光热界面蒸发研究领域完成研究成果，并发表在纳米材料领域旗舰期刊《Small》（影响因子15.153）。
该研究工作以超亲水泡沫铜为基材，从三维结构设计入手，开发了一种分级三维倒锥形太阳能蒸发器，其具有氧化铜与氧化石墨烯协同的微纳米结构，可通过简单的化学氧化、物理沉积和室温干燥等技术制备。
该蒸发器能够实现高效太阳能吸收、连续液膜输送以及无阻碍蒸汽扩散的同时，其独特的分层结构赋予蒸发系统优异的保温性能，为实现高效太阳能原位局域蒸发提供了新思路，具有良好的应用前景。
图1.吸收原理、蒸发器、3D倒锥形太阳能蒸发器的制备工艺和特性示意图。(a)蒸发器示意图。(b)蒸发系统示意图。(c)超亲水表面制备工艺。(d-f)SHiCF、SHiCF-GO-2.5和SHiCF-GO-3.0的扫描电镜图。(g)SHiCF-GO-2.5的FTIR图谱。(h)SHiCF-GO-2.5的Raman图谱。(i)表面在紫外光、可见光和红外线波长范围内的吸收光谱
太阳能驱动海水淡化为解决全球淡水短缺问题提供了新方法。为使太阳能蒸发器的效率更接近其热力学极限，先进材料性能和结构的协同作用在太阳能界面的优化设计和能量利用效率最大化中起着至关重要的作用。针对传统体蒸发系统存在能量转换效率低、响应速度慢等问题，研究团队从三维结构设计入手，提出将超亲水多孔结构和功能化碳基颗粒的优势集于一身。如图1所示，经氧化石墨烯沉积后的超亲水泡沫铜骨架表面具有粗糙的片状微纳米结构。照射至表面的太阳入射光在微观表面形貌及宏观三维腔体结构的协同作用下进行多次漫反射和光陷阱吸收，使该表面具备极高的太阳光吸收率。
图2.毛细管效应表征。(a)倾斜SHiCF-GO、SHiCF蒸发器和无尘纸包覆的蒸发器的毛细上升特性。(b)毛细上升高度随时间的变化关系。(c)水输送以及蒸汽扩散的协同作用示意图。(d)限制蒸汽扩散方式示意图
无尘纸和超亲水骨架作为水输送路径，推动液体分子沿骨架连续攀升，继而向界面扩散，以补充相变蒸发的水。如图2所示，水分子在骨架周围聚集形成超薄水层，而不是填充在多孔结构的通孔内，既可以防止太阳能加热多余的水，又可以暴露尽可能多的蒸发面积，增加水蒸气扩散的路径。
图3.蒸发性能。(a)水的质量变化。(b)不同配置蒸发器的蒸发速率。(c)双层蒸汽扩散路径、无尘纸蒸汽扩散路径和SHiCF-GO蒸汽扩散路径的蒸发率。(d)本工作中以及文献中报道的蒸发器性能对比
图4.三维太阳能蒸发器的能量平衡和热损失图
该研究通过对比九组不同配置的蒸发系统蒸发率得出一倍太阳光强下SHiCF-GO-2.5蒸发器的最大蒸发速率为1.71 kg?m?2?h?1，能量利用效率高达93%，其蒸发性能在近期报道的太阳能蒸发器中处于较高水平。
基于局域光热转换的锥形太阳能界面蒸发设计将能量转换集中在蒸发界面，通过在太阳能光热转换材料、界面蒸发结构、系统绝热设计等方面的协同创新，大幅提升了系统的蒸发速率和能量利用效率。该研究为太阳能驱动光热蒸发提供了一种有效途径，可作为从海水中提取淡水以及污水净化的潜在候选者。
胡静教授，现任香料香精化妆品学部副主任，先后荣获教育部“青年长江学者”（2020），上海市“曙光学者”（2019），上海市教育系统“三八红旗手”（2018），上海市“最美教师”(2017)，上海市“青年拔尖人才”(2017),上海市青年“五四”奖章(2015)，上海市“青年科技启明星(A类)”(2014)，上海市“晨光学者”(2010)人才称号。
