太阳能界面蒸发器是一种将丰富太阳能转化为局部热能以制备清洁水的装置。优化此类设备的关键在于通过光热转换增强热量捕获能力,并最大限度减少热能损耗以提升蒸发效 率。静电植绒技术通常应用于太阳能蒸发器的两个方面:作为吸光层和隔热层。[10-12,45,103] 该应用充分发挥了阵列优异的吸光特性与这种疏水纤维植绒层的超强疏水性和保水特性。
郭等人开发了一种利用静电植绒技术的太阳能驱动蒸发器,如图e所示。该装置主要由三层结构组成:自上而下依次为黑色亲水尼龙植绒层、亲水织物和白色疏水尼龙植绒层。[11] 当阳光照射到上层植绒纤维时,由于光捕获效应,纤维阵列能捕获光线,实现超过94%的优异吸光率。下层静电植绒层在织物与水面之间形成空气层,有效减少热量向水面传递。整体而言,垂直排列的疏水性植绒层可降低17.1%的能量损耗。
近年来,基于简单静电植绒蒸发器的行组合结构和区域尺寸的创新持续不断。Tu等人开发了一种可插入式植绒蒸发系 统,该系统包含多个静电植绒蒸发板(图f)。[12] 通过将表面流体化板垂直插入基材中,可有效扩大蒸发表面积并增强流体化板表面的空气对流。在1千瓦·立方米光照条件下,蒸发速率可达2.09千克/m2/小时 。田等人[10] 构建了由垂直排列、分层结构和亲水性碳纤维组成的三维微阵列结构。他们成功制备出大面积静电流体化蒸发器(图g),并正在探索二维/三维不同形态的静电流体化蒸发器(图h),[10]旨在提升光吸收效率和蒸发面积。此外,田团队研究发现亲水性纤维阵列可在不同尺度产生毛细效应,形成布满微级弯月面和纳米级薄水层的三维蒸发表面,从而增加可供蒸发的水/气界面,显著提升蒸发速率。
[10]同时,田等人[45] 报道了一种采用铜板(CP)、无纺布(NWF)和绝缘乙烯-醋酸乙烯酯泡沫(EVA泡沫)组成的八级太阳能驱动多级装置,用于海水淡化(图i)。[45]通过静电植绒技术在TCA/CP表面构建三维VACF结构,形成光热层。[45]在八级协同效应下,该多级蒸发器在单次日照条件下实现2.25千克/平方米/小时的集水效率。[45] 这一创新方案为太阳能驱动的水分解提供了新思路,展现了利用可再生能源高效可持续产水的巨大潜力。
除了增强吸光效率外,静电植绒还能提高抗结盐能力,如 图j所示,静电植绒结构中由毛细作用形成的薄水层有利于离子在其中快速扩散,有效防止了盐分的积聚。[10,11] 经过精心优化的孔隙尺寸确保了毛细管行为的稳健性和流体输送能力的充足性,进一步提升了其性能。[11,12] 本报告中实现了稳定盐水在10天内的蒸发率。
e)基于垂直阵列结构的AE示意图,展示光捕获与空气滞留功能;经授权转载。 [11] 版权©️所有2020,威利-维希出版社。太阳能驱动水蒸发器。
f)六块多表面板垂直嵌入法国国家图书馆(BNF)的平面铺垫板;经授权转载。 [12] 版权©️所有2019,威利-维希出版社(WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 魏因海姆)。
g)大型LO-VACFs/CWF蒸发器制造工艺流程图;经授权转载。 [10] 版权©️所有2024,威利-维希出版社。
h)不同形态LO-VACFs/CWF蒸发器示意图:二维悬浮型、二维悬挂型、三维圆锥型及三维球形;经授权转载。 [10] 版权©️所有2024,威利-维希出版社。
i)太阳能驱动多级装置结构示 意图;经授权转载。 [45] 版权©️所有2024,美国化学学会。
j)盐扩散与潜在盐分积聚示意图;经许可转载。 [11] 版权©️所有2020,Wiley-VCH GmbH。
[10] 田宇、宋睿、李宇、朱然、杨翔、吴栋、王旭、宋杰、余杰、高 涛、李峰,《先进功能材料》2024年第34卷[11] [11]郭宇,贾维德·M,李翔,翟思,蔡哲,徐斌,《先进可持续系 统》2025年第5卷第2000202期。[12] [12] C. Tu,W. Cai,X. Chen,X. Ouyang,H. Zhang,Z. Zhang,Small 2019[45] 天宇、姜宇、朱然、杨翔、吴栋、王旭、余杰、李宇、高涛、李 峰,《环境科学与技术》2024年第58卷[103] V. S.米罗诺夫、M.帕克,《组合科学与技术》2000年第60卷