曲良体&刘峰，最新Nature子刊！

成果展示

太阳能界面水蒸发（Interfacial solar vapor generation, ISVG）是一种很有前途的技术，可以有效地从海水或污水中获取淡水。然而，对于传统的静态蒸发模型，由于缺乏对蒸发过程中水运动和相变演化的动态管理和自我调节，其性能的进一步改进遇到了瓶颈。

基于此，清华大学曲良体教授和程虎虎助理研究员、中科院力学研究所刘峰副研究员（共同通讯作者）等人报道了通过石墨烯包裹的Fe₃O₄纳米颗粒（Fe₃O₄@G）的可控和可逆组装，开发了一种具有锥形阵列（conic array, CA）的可重构和磁响应蒸发器。不同于传统的刚性蒸发结构，可变形和动态组件可以响应变化的磁场在宏观和微观尺度上重新配置。组织良好的CA组件具有优异的耐盐特性、回收能力以及高蒸发率，同时CA组件在可变磁场中的实时重构对周围大气造成宏观扰动，极大地促进了水蒸气扩散（water vapor diffusion, WVD）。

在微观层面上，内部纳米颗粒在CA组件内自适应地重新排列，建立了有利于水分传输的物质内部循环。与静态蒸发相比，蒸发速率提高了23%。基于Fe₃O₄@G的三维（3D）磁性分层组装，在1 kW m^-2的太阳光照下，静态蒸发速率提高到4.80 kg m^-2 h^-1，甚至可以在动态蒸发过程中进一步提高到创纪录的5.88 kg m^-2 h^-1水平。该工作为开发可动态调节的先进太阳能水蒸发系统提供了新的视角。

背景介绍

水资源短缺正在成为人类面临的全球性生态挑战，其中太阳能界面水蒸发（Interfacial solar steam generation, ISSG）被认为是一种从海水或废水中获取淡水的有前途的解决方案。目前，金属纳米颗粒、碳质材料、二维（2D）材料、水凝胶等材料被用作蒸发器。同时，也提出了许多提高蒸发速率的有效方法，如三维（3D）ISSG、多级蒸发、供水控制、化学相变和电热效应的协同作用等。然而，蒸发性能的进一步提高遇到了瓶颈。传统蒸发器结构固定，无法拆卸和变形，因此通常会导致盐沉积并降低蒸发效率。其中，大部分只涉及水的被动流体流动，水和盐离子的主动循环尚未见报道，这可以解决被动对流中扩散率慢的问题。此外，在这些静态蒸发系统中，蒸发速率很大程度上受到蒸发表面周围积聚的水蒸气的限制，这是由于从蒸发器到周围环境的水蒸气扩散（WVD）不足造成的。虽然利用气流可以增强WVD工艺，但是强制对流流动效率低且与当前的封闭装置不兼容。因此，推进WVD是进一步提高蒸发率的关键，至今仍是一个难以解决的难题。

图文速递

图1.可重构Fe₃O₄@G组件实现的动态蒸发

图2. Fe₃O₄@G纳米颗粒的制备与表征

图3. Fe₃O₄@G组件的重构性能

图4. CA组件的静态蒸发性能

图5. CA组件的动态蒸发

图6.动态蒸发增强效应的机制

图7. 磁性分层组件的动态蒸发

小结

总之，作者利用Fe₃O₄@G纳米颗粒的可逆组装，开发了一种可重构和磁响应的太阳能水蒸发器。其中，独特的磁场感应锥形阵列（CA）组件使得蒸发器具有优良的特性，包括良好的抗盐能力、充足的水输送、循环利用能力以及高蒸发率。对比传统的静态蒸发，CA组件在宏观和微观尺度上的动态重构导致蒸发速率提高了20%以上。通过宏观磁体与CA组件的合理组合构建了复杂的分层组件，在1次阳光照射下实现了高达4.80 kg m^-2 h^-1的创纪录的高蒸发率。通过动态蒸发，甚至可以实现高达5.88 kg m^-2 h^-1的更高蒸发速率。因此，可重构的Fe₃O₄@G纳米颗粒实现的动态和可重构组装为进一步提高水蒸发性能提供了新的视角，有助于未来对ISSG领域的基本理解，以及太阳能水蒸发系统的合理设计。

文献信息

A reconfigurable and magnetically responsive assembly for dynamic solar steam generation. Nature Communications, 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-32051-3.

https://doi.org/10.1038/s41467-022-32051-3.

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