利用太陽能進行海水淡化具有重大的應用前景。為提高海水淡化速率和提高能源利用效率，研究人員提出了利用新型光熱轉換材料降低熱損耗、構築有效的水/蒸汽傳輸界面，以及提高光熱轉換材料的耐用性等策略。然而，目前的海水淡化裝置能耗較高，海水淡化的效率、耐久性均有待提高，尤其是鹽度升高後的持續淡化仍然是一個巨大挑戰。
最近，在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的支持下，中科院化學研究所綠色印刷重點實驗室科研人員在前期構建的快速連續3D打印體系（Research, 2018, 2018, 4795604）基礎上，研究人員與美國麻省理工學院教授Nicholas Fang課題組合作，利用3D打印技術構造了三維錐形不對稱結構蒸發體系，在高鹽度下實現了高效太陽能利用和高速水蒸發。為實現高效的光熱轉換和海水蒸發，通過有效熱管理實現高效水傳輸和蒸發至關重要。
圖：3D蒸發器的製備，3D蒸發梯度及頂部鹽結晶性質
研究表明：所設計的3D錐形結構表面可以束縛梯度厚度的水膜，同時3D蒸發器的不同高度對太陽光的吸收不同，導致水的蒸發存在蒸發梯度，主要的蒸發位點為3D結構的頂部，因此水膜沿3D結構的側壁呈現溫度梯度，並由於馬蘭戈尼效應使水流向更快的蒸發區域，從而顯著提高水蒸發速率和能量的利用效率。高鹽度水蒸發時，水膜厚度梯度和蒸發場梯度導致3D結構表面存在鹽的濃度梯度和頂部鹽結晶特徵，結晶的鹽很容易去除，因而可以連續工作。該系統的海水淡化速率達1.72 kg m-2 h-1，有很強的應用前景。
該研究成果近日發表於《自然-通訊》（Nat. Commun., 2020, 11, 521）上，通訊作者是宋延林，第一作者是吳磊。
來源：中國科學院化學研究所
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