西南民族大学吕荥宾SPT：Janus蒸发器的多尺度分级结构设计与策略整合

成果简介

太阳能驱动的界面蒸发是一种环保且可持续的海水淡化方法，为解决水资源短缺挑战提供了有前途的解决方案。然而，界面蒸发复杂的固-液-气三相系统要求更全面的设计策略整合。为此，西南民族大学吕荥宾课题组与四川大学吉俊懿、成都理工大学李小可课题组合作，提出了一种全面的界面蒸发材料优化策略，该策略从多尺度集成了从光学特性优化、热定位能力调整到热对流区域增强的各种设计概念。TiN@CNT复合膜与双网络水凝胶形成环状对流增强型Janus结构最终实现高达3.33 kg m−2 h−1的出色蒸发速率。相关成果以“Janus-structured evaporator with multiple optimization strategies for sustainable solar desalination”为题发表在《Separation and Purification Technology》（一区TOP，IF=8.1）。

图1 Janus结构蒸发器的多尺度分级结构设计与策略整合

研究背景

紧迫的全球水危机需要创新的解决方案，太阳能驱动的海水淡化技术避免了化石燃料或电力的输入，其低运营成本和绿色碳足迹为海水淡化领域提供了一条有前途的途径。在众多光热材料中，二维GO膜已成为太阳能海水淡化系统蒸发器的潜在候选者，其具有传热表面积大、连续输水层和可扩展性等优势。目前的研究重点集中在优化光热材料增强太阳能吸收从而提高整体能源利用率。然而，GO膜的天然曲折水传输路径导致传质效率和蒸发性能相对较低，这不能通过简单地引入客体材料并调整光热转换能力来补偿。因此，基于GO光热复合膜与水凝胶的协同组合已证明是一种有效方式，这种Janus结构确保了优异的热局域能力和强大的水供应，以弥补GO膜层间传质效率的低下。此外，也有研究注意到优化蒸发器的宏观结构以构造蒸汽快速逸散通道来实现热对流的增强效果，从而进一步提升蒸发速率。

然而，在现有的光热转换能力、水传输路径和蒸发器结构设计这三种优化策略中，往往是研究单一设计的影响，缺乏组合各种方法的协同优化策略。因此，整合不同设计原则所产生的协同效应对于实现高通量海水淡化技术的至关重要。这种跨尺度的协调设计允许在蒸发过程中对光学、热学和传质现象之间进行定制性优化，为高通量太阳能海水淡化系统开辟了新的途径。

结果讨论

图 1. Janus结构蒸发器中各组件的表征

图 2. Janus结构蒸发器上层光热复合膜表征

图 3 Janus结构蒸发器上层光热复合膜的光热性能优化

图 4. Janus结构蒸发器、单一光热复合膜的蒸发性能对比与优化

图 5. Janus结构蒸发器的进一步结构优化：环形结构增强热对流

图 6. Janus结构蒸发器的脱盐性能及长期稳定性

作者介绍

吕荥宾，博士，硕士生导师，毕业于四川大学化学工程学院，2022年2月进入西南民族大学化学与环境学院工作。研究方向为二维膜材料与膜过程、传质与分离、太阳能界面蒸发材料。

近年来主持四川省自然科学基金青年基金项目等3项科研项目，以第一作者或通讯作者在国内外学术期刊Separation and Purification Technology, ACS Applied Materials & Interfaces, Journal of Materials Chemistry A, Journal of Power Sources, Journal of Colloid and Interface Science等国际知名期刊发表学术论文20余篇。

邮箱：lvxingbin@swun.edu.cn

https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.129676

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