科学家设计水二极管太阳能蒸发器，打造动态水-能平衡蒸发新模式

水资源是人类赖以生存的重要资源，人类的生活、生产、发展等都离不开水资源。然而，由于全球气候变暖而导致的干旱、水资源流失、水污染问题、以及世界人口数量的增长，淡水资源短缺已经成为人类面临的重要挑战之一。

利用太阳能生产高效清洁的淡水，被认为是一种环境可持续的方法。自 2014 年“热局域化”概念提出以来，界面太阳能驱动蒸发（ISDE，interfacial solar-driven evaporation）技术引起了极大的关注，该技术将热能定位在蒸发表面以最大限度地减少热损失。

近年来，在提高蒸发性能和有效地获取清洁水方面，太阳能界面蒸发器取得了一系列进步。

除了调整光热吸收体、开发阻盐策略、优化热管理等研究热点，越来越多的研究者开始关注到蒸发系统的水运输调控，许多研究者通过设计一维/二维的水路有效地减少了热损失。

还有一些研究者通过控制材料微观结构或供水方式，以获得最佳水含量，进而实现高效地的能量利用。

但是在这些蒸发系统中，水只能被定量地输送，这并不适用于实际应用场景中不断变化的太阳光。

基于此，陕西科技大学王成兵教授和团队从“能量匹配”的角度出发，设计了一种具有自适应水供给的太阳能蒸发器，它可以在不同光照条件下实现动态的水供给，保证输入能量与消耗能量的匹配。

据了解，该团队侧重于通过水调控实现高效界面水蒸发的研究，这个课题的开展主要就是为了设计具有自适应水供给的蒸发器。在开展工作的过程中主要包含三个阶段。

第一阶段，主要是理清这种蒸发器的设计原则。在传统太阳能蒸发器中，由于水被不断地泵送和回流，蒸发器表面始终维持着恒定的水量。

相反，如果设计具备单向水运输的蒸发器，水供给的主要驱动力则来源于蒸发器表面水的消耗。

随着光照的变化，蒸发表面消耗的水量不同，驱动了水的不断向上输送，因此，这就在光照射与水泵送之间建立了有效的联系。

进一步地，他们猜想如果控制水的运输路径，阻碍水的回流，是否可以实现单向水运输？受电路系统中二极管正向导通反向截止的原理，他们类比到“水二极管”的概念。

为此，他们查阅并学习了有关“拓扑流体二极管”的知识，基于微圆柱形结构的接触角和几何角度的耦合作用，可以允许水单向透过的原理，借此设计了“水二极管”太阳能蒸发器。

图 | 具有自适应水-能平衡的光热二极管蒸发器的设计原理（来源：Advanced Materials）

具体来说，一个由微圆柱体组成的材料，在其表面设计不同的润湿性-亲水上表面和疏水下表面，毛细管壁的表面能会增强，水沿着毛细血管壁上升，从而润湿上表面。

研究中，课题组采用疏水的碳纤维布作为微圆柱体，在其表面生长亲水的氢氧化铜纳米针，成功地制备了具有单向水透过的光热吸收体。

图 | 光热蒸发器的“水二极管”特性（单向水运输）（来源：Advanced Materials）

第二阶段则是系统地探究水二极管的自适应水供给性能。期间，他们探究了不同光照条件下蒸发器的供水表现。

此外，他们分别设计了完全亲水和双面亲水的蒸发器用于对比，由于这两种蒸发器的非单向水运输，相应地它们也不具有自适应的水供给能力。

同时，他们也对这几种蒸发器的水供给进行了模拟分析，呈现了与实验相似的结果。

第三阶段里他们针对水二极管蒸发器的光热转化和蒸发性能进行了全面的分析。

图 | 光热“水二极管”蒸发器与其他蒸发器的水供给表现（来源：Advanced Materials）

自适应水供给的特性，是保证这个蒸发器在不同光照条件下高效能量利用的必要条件。但是，如何证明水在不同辐照强度时可以完成自适应供给是他们面临的难题之一。

最初，他们尝试采用表征分析手段直观且定量地分析水的自适应供给，例如他们利用 Micro-CT 技术测试蒸发器表面的水层，但是因为无法配合模拟光源使用，在表征变化光强度时的水供给时具有很大的局限性。

经过多番尝试之后，他们偶然发现用润湿蒸发器表面所需时间可以侧面反映水的动态供给。事实证明，这种简单的方法却可以更直观地观察到水的自适应供给表现。

在该团队所设计的水二极管蒸发器中，随着辐照强度的增加，润湿表面的时间相应地减少，这就体现了水运输速率的加快。

图 | 光热“水二极管”蒸发器的自适应水供给表现（来源：Advanced Materials）

总的来说，他们希望这项工作可以为设计自适应水-能平衡的太阳能界面蒸发器提供新思路。

王成兵表示：“本次研究的目的旨在进一步寻求太阳能界面水蒸发中的自适应能量匹配，以适应不同地区、不同光照条件的光热蒸发，实现更高效的能量转化。”

虽然目前利用太阳能界面蒸发器来获取淡水还未能实现产业化，但他们坚信该领域在未来若干年内可以实现诸如海岛居民、远洋渔船、海洋作业工程组、驻海军队等小场景应用，进而辐射到更大、更广泛的应用场景。

此外，这种高效、低成本、环保的光热界面蒸发技术,在海水淡化、灭菌、蒸馏分离、发电、去除重金属等领域都表现出广阔的应用前景。

图 | 相关论文（来源：Advanced Materials）

最终，相关论文以《实现光热水二极管蒸发器的自适应水能平衡：在不断变化的阳光下动态最大化能量利用率》（Enabling Self-Adaptive Water-Energy-Balance of Photothermal Water Diode Evaporator: Dynamically Maximizing Energy Utilization Under the Ever-Changing Sunlight）为题发在 Advanced Materials[1]。

图 | 卫丹（来源：第一作者）

卫丹是第一作者，王成兵担任通讯作者。

图 | 王成兵（来源：通讯作者）

而在下一步，课题组主要将针对以下两方面展开深入研究：一是探究可控水膜厚度的太阳能蒸发器；二是设计冷凝集水装置以实现高效地淡水收集。

参考资料：

1.Wei, D., Wang, C., Shi, G., Zhang, J., Wang, F., Tan, P., ... & Xie, Y. (2024). Enabling Self‐Adaptive Water‐Energy‐Balance of Photothermal Water Diode Evaporator: Dynamically Maximizing Energy Utilization Under the Ever‐Changing Sunlight.Advanced Materials, 2309507.

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