洁净水源短缺困扰着世界上超四分之一的人口，是引起传染病、贫穷等问题的根源。太阳能蒸汽发生器技术能在光照条件下直接产生洁净水源，为水源危机提供解决方法。科研人员通过提升太阳光吸收和光热转换效率、降低水的蒸发焓等手段，设计制造了一系列太阳能蒸发器以克服水蒸发过程中高能量消耗与弱自然光输入间的矛盾，而更高的能量利用效率仍需在热管理与水输运的平衡中去探寻。 此外，盐水在快速蒸发过程中往往伴随着盐的结晶，显著限制蒸发器的光吸收效率降低净水效率。表面疏水化与构建宏观水输运通道这两个策略被广泛应用于蒸发器设计以提升耐久性，而超疏水的表面无法消除盐结晶阻塞水输运通道的风险，较大尺寸的通道又会造成热的对流损失。兼具高效净水能力和抗盐特性的太阳能蒸发器仍是充满挑战的研究课题。
近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员张珽团队在功能化纳米通道的柔性水伏产电系统工作的基础上（Nat. Commun. 2022，13：1043；Nano Energy. 2022，99，107356），通过运用多次冻融方法构建出具有垂直微米通道和离子选择特性纳米通道分级结构的高效抗盐太阳能蒸发器。由于表面修饰磺酸根和独特的分级微纳结构特性，伞状蒸发器可有效地减少热对流损失并降低水的蒸发焓。在一个标准太阳光条件下，蒸发器的净水速度和能量利用效率分别高达3.683.683.68kg m-2 h-1和91.1%。研究通过水伏流动电势监测证明，具有高表面电势的纳米通道内存在交叠双电层，赋予纳米通道离子选择性。结合微米通道良好的水输运能力，蒸发器显示出抗盐特性，可在海水条件下长时间（>96 h）保持大于90%的工作效率。
该研究协同利用通道尺寸效应和表面特性，制备了兼具高速净水能力和高抗盐能力的太阳能蒸发器，并为蒸发驱动的水伏产电器件提供新的构建思路和应用场景。相关研究成果以A highly efficient and durable solar evaporator based on hierarchical ion-selective nanostructures为题，发表在EcoMat上。研究工作得到国家自然科学基金等的支持。
图1.太阳能蒸发器结构及工作机制示意图
图2.蒸发器光热转换及蒸发增强性能
图3.净水器的抗盐特性及耐久性
图4.净水器对独墅湖水的净化能力
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