徐浩蘭Nano Energy：2D-3D可逆轉換的光熱蒸發器實現高效光熱水蒸發

通訊單位：南澳大學

論文DOI：10.1016/j.nanoen.2020.105477

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在這個工作中，作者以多孔纖維海綿（CS）為基底，還原氧化石墨烯為（rGO）光吸收材料，設計並製備了一種可在2D-3D結構之間可逆轉換的光熱蒸發器。這種新型的蒸發器能夠在不增加材料消耗的情況下，由 2D 平面形態轉變為3D螺旋形態，大大增加蒸發面積，從環境中吸取額外能量從而實現更高的蒸發速率。特別是當環境中有空氣流動時，轉換後的3D螺旋結構能夠更好的利用空氣流動快速降低其周圍和內部溼度，增加其外表面蒸發速率並激活內部蒸發表面，使其蒸發速率極大的提高（4.35 kg m-2 h-1 ），約為同條件下（1個太陽度和4米/秒氣流流速）的2D結構的185%。另外，在不使用的情況下，這種3D螺旋結構也能夠轉換回2D平面結構，這樣更節約空間，便於儲存。

背景介紹

隨著人口的增長和工業的不斷髮展，淡水資源短缺的問題日漸凸顯。介面光熱水蒸發作為一種新型的綠色可持續的水處理手段，在近年來被廣泛關注。目前，研究的焦點主要集中在提高光熱材料的光吸收率和轉換效率以及減少光熱蒸發過程中的能量損耗，進而實現快速高效的介面光熱水蒸發。但是，隨著各項研究日漸深入，已經很難再從以上方面進行突破。於是，研究人員開始設計並製作新型的3D光熱蒸發器，透過增加總蒸發面積及從環境中攝取額外能量來提高單位面積的蒸發速率。然而，與傳統的2D光熱蒸發器相比，製備3D結構的光熱蒸發器往往會耗費更多的光熱材料，增加材料成本，會對之後大規模的工業化應用形成阻礙。因此，儘可能減少3D結構蒸發器製備過程中的材料消耗同時又能兼顧高效的光熱蒸發具有重要的現實意義。

風能，與太陽能相似，也是一種取之不盡，用之不竭的清潔能源。作為一種空氣流動形式，氣流能夠有效的帶走蒸發出的蒸汽，降低蒸發環境溼度，極大促進持續的高效水蒸發。因此，設計一種能夠合理利用空太陽光和空氣流動的光熱水蒸發器，對最大化光熱蒸發速率具有重要意義。這項工作，主要圍繞以上兩點，從結構設計入手，製備了一種2D-3D可逆轉換的光熱蒸發器，並詳細研究了蒸發器的光熱蒸發效能和空氣流動蒸發效能。這種低材料消耗的複合功能光熱蒸發器的設計，為今後的光熱蒸發水處理提供了一條新的思路。

本文亮點

用製備2D光熱蒸發器件的材料消耗，實現3D蒸發器的蒸發速率。透過將2D結構轉換成3D結構進行光熱蒸發，能夠更好地最佳化光熱蒸發過程中的供水-蒸發平衡，增加總蒸發面積，更好地利用環境能量和氣流使總蒸發量極大提高。與此同時，3D轉換回2D結構能節約空間，便於儲存。

圖文解析

圖1描述了2D-3D結構轉換蒸發器的設計製備過程，以及rGO-CS的物理形貌表徵。圖中顯示作為光熱材料的層狀rGO奈米片的大小約為600-1000 nm。透過矽藻酸納凝膠化將rGO奈米片均勻地負載到CS基底上，形成rGO-CS光熱材料。CS作為親水的多孔結構，能夠快速的透過毛細管作用將水傳輸至光熱蒸發表面，rGO作為出色的光吸收材料，能夠有效將入射光轉換成熱能進行光熱蒸發。經過裁剪的2D平面結構的rGO-CS能夠透過直接拉伸轉換為3D的螺旋結構。

圖1. （a）2D-3D結構轉換蒸發器的設計製備過程，（b）（c）rGO的TEM和SEM表徵，（d）（e）rGO的XPS表徵，（f）（g）和（h）（i）CS和rGO-CS的SEM表徵。

圖2首先介紹了2D平面結構的供水過程為快速的二維擴散式供水，這種供水模式容易造成蒸發表面含水量過高，從而導致蒸發效率降低，而3D螺旋結構的供水模式則為一維螺旋供水，這種供水模式能讓蒸發表面的供水-蒸發始終維持平衡狀態，有利於提高蒸發效率。同時，3D結構具有更大的蒸發面積包括暗蒸發面積，可以從環境中吸取額外能量用於蒸發，也能更有效的利用氣流來增加蒸發。透過對不同光強和氣流流速條件下的蒸發速率測試，發現3D螺旋結構在一個太陽強度和無氣流條件下的蒸發速率（1.56 kg m-2 h-1）比2D蒸發結構（1.24 kg m-2 h-1）高出25.8%，而在4米/秒的氣流下（一個太陽強度），3D結構的蒸發速率（4.35 kg m-2 h-1）比同條件下的2D結構（2.34 kg m-2 h-1）高出85.9%。實驗結果證實結構轉換後的3D螺旋蒸發器能夠帶來更快的蒸發速率，並且這種結構的蒸發速率在有氣流存在的情況下提高更明顯。而這種提高，無需增加材料用量，只需簡單的對蒸發器結構進行變換。

圖2. （a）供水通道機理示意圖，（b）蒸發實驗中1個太陽光強位置，（c）（d）（e）不同光照和風速條件下，2D平面結構和3D螺旋結構的蒸發速率。

圖3對光熱蒸發過程中，2D和3D蒸發器附近的氣流分佈以及溼度分佈進行了模擬。從圖中可以明顯地看到，對於2D平面結構，氣流只能經過其上表面，而在3D螺旋結構中，氣流能夠流入其結構內部，對其上表面及新產生的側面，下表面和內部蒸發表面都產生影響。透過對比3D螺旋結構在無氣流和4m/s氣流條件下的溼度分佈，能夠清晰看出空氣流動能夠有效降低3D螺旋結構外部和內部的溼度，從而全面啟用其蒸發表面，極大地加速光熱蒸發。

圖3. （a）（b）（c）和（d）（e）（f）4 m/s氣流流速情況下，2D平面結構和3D螺旋結構附近的流速分佈，（g）（h）和（i）（j）0 m/s和4 m/s風速情況下， 3D螺旋結構附近的溼度分佈。

圖4研究了3D螺旋蒸發器對於海水和不同種類汙水的處理能力。實驗結果顯示，對於海水淡化，這一蒸發器能夠有效降低海水中的主要離子濃度 （Na+ <25 ppm），淨化後的水質遠高於WHO可飲用水標準。對於重金屬離子汙水處理，蒸發器處理後的水質也能夠達到WHO 的相關標準。對於有機染料汙水，淨化後的水不再具有有機基團的特徵。因此，這種蒸發器具有很高的實際使用價值，具備大規模應用的潛力。

圖4. （a）透過3D螺旋光熱蒸發器處理海水和不同種類汙水，（b）淨化水回收裝置示意圖，（c）（d）（e）（f）3D螺旋蒸發器處理海水和不同種類汙水的資料表徵。

總結與展望

這一工作突破了現有思路，製備了一種2D-3D可逆轉換的光熱蒸發器，透過簡單的2D平面到3D螺旋結構的轉換，在材料體積和質量不變的情況下，光熱蒸發速率得到了顯著提高，尤其是在有空氣流動的條件下，3D螺旋結構能充分利用空氣流動，將蒸發速率提高85.9%。實驗資料和理論模擬都證實了這種3D結構具有更好的蒸發表現。與此同時，透過不同種類水處理的研究，能夠證明這種蒸發器能夠實現高效優質的水淨化，具有很大的應用潛力。

作者介紹

南澳大學徐浩蘭副教授為論文的通訊作者，博士生王藝達為本文的第一作者。該工作得到了澳大利亞研究理事會，中國國家留學基金委獎學金，南澳大學基礎研究序列基金以及黑龍江省華升石墨股份有限公司的大力支援。

Yida Wang, Xuan Wu, Ting Gao, et al, Same Materials, Bigger Output: A Reversibly Transformable 2D-3D Photothermal Evaporator for Highly Efficient Solar Steam Generation, Nano Energy 79 (2021) 105477.