界面光熱水蒸發(fā)技術(shù)具有極高的能量轉(zhuǎn)換效率以及零碳排放的優(yōu)點(diǎn)，在海水脫鹽、污水處理等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。

從設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的界面光熱水蒸發(fā)系統(tǒng)通常由光熱材料表面、傳水通道和隔熱層3部分組成。對(duì)于二維平面水蒸發(fā)系統(tǒng)，這一巧妙的設(shè)計(jì)能夠通過(guò)隔熱層降低由光熱界面到水體的熱傳導(dǎo)損失，將光熱轉(zhuǎn)換的熱量集中于界面，用于高效水蒸發(fā)，這就極大地推動(dòng)了領(lǐng)域的發(fā)展。

然而，當(dāng)光熱蒸發(fā)器發(fā)展至三維結(jié)構(gòu)的時(shí)候，受慣性思維的限制，很多三維光熱水蒸發(fā)體系直接照搬這種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，仍然利用絕熱層來(lái)阻隔蒸發(fā)表面和水體的能量交換。

但與二維蒸發(fā)面只從太陽(yáng)光獲取能量不同的是，三維蒸發(fā)器還可以從空氣和水中獲取額外能量用于促進(jìn)蒸發(fā)。在這種情況下，完全地隔絕水體和蒸發(fā)界面的能量傳遞會(huì)讓從水中吸收能量的過(guò)程受阻，并不利于蒸發(fā)最大化。

基于此，南澳大學(xué)未來(lái)工業(yè)研究院徐浩蘭教授課題組重新對(duì)三維蒸發(fā)器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使用了高導(dǎo)熱材料來(lái)代替隔熱材料連接蒸發(fā)表面和水體。室內(nèi)和戶外測(cè)試均證實(shí)，通過(guò)使用高導(dǎo)熱基底材料可以極大地提高蒸發(fā)性能。這個(gè)發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)3D光熱蒸發(fā)器提供了新的思路。

相關(guān)工作近期以“Enhancing solar steam generation using a highly thermally conductive evaporator support”為題發(fā)表在Science Bulletin。南澳大學(xué)博士生王藝達(dá)為論文的第一作者，徐浩蘭教授為通訊作者。

圖文解析

該工作重點(diǎn)在于研究在簡(jiǎn)單的三維光熱水蒸發(fā)體系中，分別利用絕熱和高導(dǎo)熱材料來(lái)支撐蒸發(fā)表面所引起的蒸發(fā)速率差別，以及其產(chǎn)生的深層次機(jī)理。不同于二維光熱水蒸發(fā)體系，三維結(jié)構(gòu)不但能夠從上表面吸收陽(yáng)光進(jìn)行光熱蒸發(fā)，還能夠利用無(wú)光照的側(cè)面進(jìn)行冷蒸發(fā)。正是由于冷蒸發(fā)表面的引入，三維體系能夠?qū)崿F(xiàn)從空氣及水中吸收能量，從而使蒸發(fā)速率最大化。從圖1能夠看出，在三維水蒸發(fā)體系中，當(dāng)利用絕熱泡沫來(lái)支撐蒸發(fā)表面時(shí)，雖然能有效阻隔光熱界面的熱量損失到水體中，但是同時(shí)也阻礙了水體中的能量傳遞到蒸發(fā)表面。而利用高導(dǎo)熱金屬來(lái)支撐蒸發(fā)表面時(shí)，儲(chǔ)存在水體中的能量能夠有效地被吸取到蒸發(fā)表面，從而加大總能量的攝入。這一概念也被后續(xù)的實(shí)驗(yàn)和理論模擬結(jié)果所證實(shí)。

圖1分別使用絕熱和高導(dǎo)熱材料作為支撐的三維界面光熱水蒸發(fā)體系中的能量傳遞過(guò)程。

該項(xiàng)研究中，實(shí)驗(yàn)所采用的是最基本的圓柱形三維界面水蒸發(fā)體系。圖2展示了使用不同熱導(dǎo)率的支撐材料，蒸發(fā)面從水中吸收能量的差別，以及隨之帶來(lái)的總蒸發(fā)量的變化。為了能夠精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)水體溫度的變化，作者使用了一種絕熱罐體系來(lái)切斷水體和環(huán)境之間的能量交換，確保蒸發(fā)過(guò)程中水體只與蒸發(fā)體系進(jìn)行能量交換。使用的支撐材料分別是EPE泡沫、鐵管和鋁管，它們分別對(duì)應(yīng)低、中、高三種不同熱導(dǎo)率的材料。從平均蒸發(fā)速率的測(cè)試結(jié)果能夠看出，所使用支撐材料的熱導(dǎo)率越高，蒸發(fā)速率越快。使用高導(dǎo)熱鋁作為支撐材料時(shí)的蒸發(fā)速率是使用隔熱EPE泡沫時(shí)的147.7%。原因就是高熱導(dǎo)率的支撐層能夠大量且快速?gòu)乃形漳芰?，并傳遞到冷蒸發(fā)表面來(lái)加速蒸發(fā)。直觀體現(xiàn)就是使用高熱導(dǎo)率的支撐材料時(shí)，蒸發(fā)過(guò)程中水體的溫度快速下降。

圖2利用低、中、高不同熱導(dǎo)率材料來(lái)支撐的三維蒸發(fā)體系的蒸發(fā)表現(xiàn)。

該研究中，作者主要從環(huán)境能量輸入以及理論模擬方面來(lái)研究不同熱導(dǎo)率支撐材料對(duì)蒸發(fā)體系的影響（圖3）。在蒸發(fā)過(guò)程中，作者對(duì)上表面和側(cè)面溫度進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。從數(shù)據(jù)能夠看出，高熱導(dǎo)率支撐材料能夠降低上表面光熱蒸發(fā)溫度以及提升側(cè)面冷蒸發(fā)溫度，從而證明這一改變能夠減少上表面熱輻射和熱對(duì)流的能量損失，并大量地從水中提取能量到側(cè)蒸發(fā)表面。在此基礎(chǔ)上，作者對(duì)體系中的能量輸入進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果證實(shí)了使用高熱導(dǎo)率支撐層的體系能夠從水中大量攝取能量，從而擴(kuò)大體系總的能量輸入。以高導(dǎo)熱鋁作為支撐材料時(shí)，從水體中吸取的能量（0.66 W）甚至要大于入射光的能量（0.55 W）。從體系中的能量傳遞模擬結(jié)果也能夠看出，高導(dǎo)熱支撐材料能夠極大加快從水中吸收能量的速度。

圖3從環(huán)境能量輸入以及理論模擬入手，研究不同熱導(dǎo)率支撐材料對(duì)蒸發(fā)體系的影響。

圖4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高導(dǎo)熱層與蒸發(fā)面之間的接觸面積，對(duì)于從水中攝取能量有非常大的影響。兩者接觸面積越大，從水中吸收的能量就越多。在此基礎(chǔ)上，作者將高導(dǎo)熱層與蒸發(fā)面之間的接觸面積進(jìn)一步擴(kuò)大，從之前的只有側(cè)面與導(dǎo)熱層接觸增加到上表面及側(cè)面全部與導(dǎo)熱層接觸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，全接觸的體系蒸發(fā)速率較之前有了進(jìn)一步擴(kuò)大。主要原因除了從水中吸收能量增加外，高導(dǎo)熱層能夠快速地將光熱蒸發(fā)面的熱量傳遞至側(cè)面用于冷蒸發(fā)，使其光熱蒸發(fā)表面溫度大大降低（低于環(huán)境溫度），這樣不但消除了光熱蒸發(fā)面的能量損失，而且能夠從環(huán)境中攝入能量用于蒸發(fā)。另外為了進(jìn)一步證明高導(dǎo)熱層三維蒸發(fā)體系在普通容器中也能夠適用，作者對(duì)比了相同的蒸發(fā)器分別在絕熱和普通容器中的蒸發(fā)表現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在普通容器中的蒸發(fā)速率更快，其原因在于普通的非絕熱容器沒(méi)有隔絕水體與空氣中的能量交換，當(dāng)蒸發(fā)體系從水中吸收能量后，水體可以從空氣中補(bǔ)充部分能量，從而維持一個(gè)相對(duì)較高的水體溫度，這也更有利于蒸發(fā)體系不斷從水中吸收能量來(lái)促進(jìn)蒸發(fā)。

圖4分析從水中吸收能量的影響因素。

為了進(jìn)一步探索高導(dǎo)熱支撐介質(zhì)蒸發(fā)體系的實(shí)用性，作者在戶外分別進(jìn)行了24小時(shí)不間斷監(jiān)測(cè)和10天的長(zhǎng)周期監(jiān)測(cè)（圖5）。測(cè)試結(jié)果顯示，在各種天氣條件下，高導(dǎo)熱層體系的蒸發(fā)速率始終高于中、低導(dǎo)熱層體系的蒸發(fā)速率。這一結(jié)果證實(shí)了，利用高導(dǎo)熱材料作為三維蒸發(fā)體系的支撐材料，可以作為一種普適的策略廣泛應(yīng)用于界面光熱水蒸發(fā)技術(shù)中以大大提高光熱蒸發(fā)速率。

圖5戶外蒸發(fā)測(cè)試結(jié)果。

結(jié)論與展望

上述結(jié)果充分證實(shí)了，在三維光熱水蒸發(fā)體系中，利用高導(dǎo)熱材料來(lái)連接水體和蒸發(fā)表面能夠?qū)崿F(xiàn)蒸發(fā)速率的大幅度提升，其主要原因在于高導(dǎo)支撐材料能夠快速將水體中儲(chǔ)存的能量傳遞到蒸發(fā)表面處，并用于蒸發(fā)。如果照搬傳統(tǒng)二維光熱水蒸發(fā)體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用絕熱層來(lái)隔絕水體和蒸發(fā)面之間的能量交換，將會(huì)嚴(yán)重阻礙從水中吸收能量這一過(guò)程。因此，打破慣性思維，將高導(dǎo)熱材料應(yīng)用于三維界面光熱水蒸發(fā)體系對(duì)于這一領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。這一工作的另一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)就是在光熱蒸發(fā)過(guò)程中，水體是一個(gè)非常好的能量來(lái)源。在未來(lái)的工作中，研究人員可以通過(guò)設(shè)計(jì)更加新穎的三維結(jié)構(gòu)，充分利用水體中的能量來(lái)加速光熱蒸發(fā)。