南京大学朱嘉教授，连发Nature子刊！

作者介绍

朱嘉，南京大学教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，长期从事基于微纳结构的光热调控领域的研究。研究方向包括：1）纳米光子学；2）低维热传输；3）界面光热材料；4）辐射制冷。

英国皇家化学学会会士，担任Nanophotonics责任编辑与Advanced Photonics的编委。曾获科学探索奖（2020）、陈嘉庚青年科学家奖（2018）、美国光学学会青年科学家奖(2017)、江苏省五四青年奖章（2017）、杜邦青年教授奖(2016)、饶毓泰基础光学奖优秀奖（2016）、麻省理工技术评论全球青年创新人物奖(2016)等。

2017年，央视以专题报道了被国际权威杂志《Science》称为可以为世界解渴的朱嘉教授，其有望带来高效太阳能海水淡化产业突破。回望这几年的发展，朱嘉教授在众多有影响力的期刊上发表了重要文章，同时将成果进行转化，真正做到了将论文成果洒向祖国大地！

2023年4月3日，朱嘉教授就以“Solar steam-driven membrane filtration for high flux water purification”为题在Nature Water发表了关于太阳能海水淡化的最新成果！作者设计了一种界面驱动的反渗透/纳滤装置，实现了水分子和离子的分离，其在12个太阳光照下，产水量能够达到81 kg m^-2h^-1，远远高于之前已经报道的工作！

实际上，作为一种新兴的能量转换方式，界面太阳能蒸发能够捕获太阳能并将产生的热量用于蒸发水分子，被认为是太阳能转换的重要策略。在过去十年中，太阳能到蒸汽的效率接近热力学极限，这也激发了研究者浓厚的兴趣。然而，仅靠提高能源效率并不能推动该领域走向实际应用。因此，除了太阳能蒸汽效率或蒸发通量之外，还应考虑不同因素和基本挑战。

时隔一个月，南京大学朱嘉教授，美国加州大学伯克利分校Baoxia Mi和香港理工大学王鹏教授等人首先讨论了太阳能蒸发的几个有前途的应用，以及相应的品质因数，其用于清洁水，废水和盐水管理，资源回收，灭菌和发电。然后，作者讨论了需要确定的太阳能蒸发的基本方面，例如微观传热和水分子键合，这与蒸发性能密切相关。最后，讨论太阳能以外的能源，以进一步提高蒸发性能。

相关文章以“Going beyond efficiency for solar evaporation”为题发表在Nature Water上。

水蒸气或蒸汽是一种重要的能源载体，从烹饪、发电和消毒到水的净化。然而，由于必须打破大量的氢键才能发生汽化，水从液体到蒸汽的热驱动相变处于密集状态。

因此，利用清洁和可再生能源来克服巨大的水蒸发焓（h_E≈2431kJ kg^-1在30°C时）是极其重要的。由太阳能驱动的蒸发是水循环的关键步骤，但由于其固有的低效率（<20%），只有一小部分阳光可以被水吸收，不能直接驱动液气相变化。在过去的几年里，金属颗粒和碳基材料已被用于增强太阳能的吸收和热管理。

人们很快意识到，从太阳能蒸发效率的角度来看，理想的方法是漂浮在太阳能蒸发器/吸收器上，在水的顶部表面捕获太阳能，并将转化为为蒸发水分子。事实上，这种界面太阳能蒸发策略已被证明在提高能源效率方面非常高效。基于在材料和结构方面的研究，设计与光捕获，热管理和供水的应用逐渐增加，能源效率（η）具有接近92.5%的热力学极限。

纵观光伏发电的发展历史，能源效率一直是光伏发电领域的重中之重，太阳能蒸发能源效率的飞跃引发了人们对各种实际应用的兴趣，如清洁水生产、废水和卤水管理、资源回收、杀菌和发电。因此，预计除了太阳-蒸汽效率或快速蒸发蒸汽通量外，还应考虑不同应用（包括水、能源和药物）的因素。

图1. 界面太阳蒸发的关键参数

太阳能蒸发技术助力海水淡化

由各种水资源（如海水、微咸水和工业废水）的太阳能蒸发驱动的淡水资源被认为是该领域最有前途的应用之一。作为传统水处理技术的补充，界面太阳蒸发为解决日益严重的全球水危机提供了一种新的战略。

据估计，这种策略的成本低至0.4-2.2 t^-1，这比小型反渗透系统便宜。同时，由冷凝蒸气产生的淡水在水质方面往往优于其他水处理技术。此外，冷凝界面的低效传热往往阻碍快速高效的冷凝，导致更强的过饱和，从而降低蒸发蒸汽通量。

研究显示，倒置结构被用于增强冷凝，同时最大限度地减少光学损耗：吸收器放置在冷凝器的顶部，而蒸汽则在底部表面上，避免了光学损失。具有高导热性和疏水纳米结构的金属可以用于缩凝，大大提高了缩凝传热。

更重要的是，该倒置结构装置可以方便地结合多级蒸发和缩合组件，可以回收蒸汽缩合过程中的焓，以驱动进一步的水蒸发。然而，虽然每个阶段的投资成本几乎不变，但增加多个阶段的边际效益单调递减，导致淡水的单位成本增加。

基于太阳能驱动吸附的大气集水技术是另一种重要的太阳能驱动水技术，其大气估计占全球淡水资源的10%。无论地理条件如何，都可以生产清洁的水，这对于远离液态水水源的干旱地区尤其重要。基于太阳能驱动的大气水收集通常包括两个串联程序：（1）从环境中捕获水蒸气，（2）通过太阳能加热释放蒸汽并冷凝成干净的液态水。

表1. 界面太阳蒸发的应用和优势

废水和盐水管理

界面太阳蒸发也被用于处理废水，如纺织废物、盐水和含有高浓度溶解的废水。需要注意的是，采用传统的水处理技术处理高固体含量的废水往往很具挑战性，界面太阳蒸发具有成本低、设备简单、耐污、抗高盐度和低碳足迹等优点，被认为有望处理高盐度盐水，最终实现水和溶质的完全分离，或零液体排放。

资源回收

虽然废水和盐水中的溶解性固体对污染有潜在的挑战，但它们也为资源回收利用提供了巨大的机会。当水蒸发时，溶解的固体被浓缩并最终沉淀出来。为了方便地收集沉淀的溶质，实用的策略是开发三维太阳能蒸发器，其中沉淀物形成不稳定的结构，自然脱落。

此外，在供水中具有梯度的蒸发器，如颗粒、锥体、柱状、伞形蒸发器等，也可以定向/动态沉淀盐，避免阻挡阳光，导致良好的盐回收性能。另一种很有前途的方法包括分离蒸发表面和光吸收表面，这有效地避免了相应的光阻塞问题。

然而，在完成水和溶质的分离时，这些材料或结构的再生方法和相应的再生效率在以往的工作中很少被研究。

消毒灭菌

蒸汽消毒被认为是灭活医疗设备和材料上病原体最有效和最可靠的方法之一。然而，传统的蒸汽消毒主要依赖于电力或现代燃料，这对许多发展中国家和地区来说资源有限。

因此，由无处不在的太阳光驱动的高温/高压太阳蒸汽的产生，在这种情况下显示出了巨大的前景。为了达到并保持如此高的蒸汽温度，吸收器和系统都需要精心设计，因此这通常涉及无机基材料。

研究还表明，基于界面加热的灭菌阶段（加热、杀菌和冷却），由于大量降低热质量和热损失，太阳能蒸汽灭菌器具有巨大的动态优势。

发电

蒸汽所携带的“自由能”也可以转化为电能，使用集中太阳能发电厂，集中太阳能产生高温高压蒸汽，然后通过热机发电。由于集中的太阳能发电厂需要大型和复杂的设施，因此需要开发分散和低成本的解决方案。

全文总结

总之，界面太阳蒸发正在成为一种很有前途的技术，以解决水-能源关系中的挑战。其能源效率接近热力学极限，丰富了太阳能蒸发的各种应用，包括清洁水生产、废水和盐水管理、资源回收、灭菌和发电。

太阳蒸发性能从根本上依赖于微观传热，以及水分子的键合，这在很大程度上仍未被探索。随着3D太阳能蒸发器的出现，预计除了太阳能之外，各种能源都可以用来进一步促进水的蒸发。

虽然过去的努力已经奠定了坚实的基础，但这只是“开始的结束”。预计这一势头将在未来十年继续进行全球合作努力，并成为解决现有挑战和将上述预计的应用转向可行的工业化/商业化技术的信心来源。在蒸气产生方面的发现和经验也可以扩展到这里提到的各种应用——例如催化、分馏、被动冷却等——并在液相相变的广义领域产生更广泛的影响。

文献信息

1.https://www.nature.com/articles/s44221-023-00059-8

2.https://www.nature.com/articles/s44221-023-00086-5

3.https://www.cctv.com/

4.https://nanoenergy.nju.edu.cn/zwjj/szdw/index.html

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南京大学朱嘉教授，连发Nature子刊！

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