蒸發(fā)，凝聚，富集是天然香料提取中經(jīng)常發(fā)生的物態(tài)變化。受此啟發(fā)，通過(guò)界面材料和富集構(gòu)型的設(shè)計(jì)，有望提高太陽(yáng)能利用率，提升海水凈化能力。近日，香料香精化妝品學(xué)部胡靜教授團(tuán)隊(duì)在太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)光熱界面蒸發(fā)研究領(lǐng)域完成研究成果，并發(fā)表在納米材料領(lǐng)域旗艦期刊《Small》（影響因子15.153）。

該研究工作以超親水泡沫銅為基材，從三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手，開(kāi)發(fā)了一種分級(jí)三維倒錐形太陽(yáng)能蒸發(fā)器，其具有氧化銅與氧化石墨烯協(xié)同的微納米結(jié)構(gòu)，可通過(guò)簡(jiǎn)單的化學(xué)氧化、物理沉積和室溫干燥等技術(shù)制備。該蒸發(fā)器能夠?qū)崿F(xiàn)高效太陽(yáng)能吸收、連續(xù)液膜輸送以及無(wú)阻礙蒸汽擴(kuò)散的同時(shí)，其獨(dú)特的分層結(jié)構(gòu)賦予蒸發(fā)系統(tǒng)優(yōu)異的保溫性能，為實(shí)現(xiàn)高效太陽(yáng)能原位局域蒸發(fā)提供了新思路，具有良好的應(yīng)用前景。

圖1.吸收原理、蒸發(fā)器、3D倒錐形太陽(yáng)能蒸發(fā)器的制備工藝和特性示意圖。(a)蒸發(fā)器示意圖。(b)蒸發(fā)系統(tǒng)示意圖。(c)超親水表面制備工藝。(d-f)SHiCF、SHiCF-GO-2.5和SHiCF-GO-3.0的掃描電鏡圖。(g)SHiCF-GO-2.5的FTIR圖譜。(h)SHiCF-GO-2.5的Raman圖譜。(i)表面在紫外光、可見(jiàn)光和紅外線波長(zhǎng)范圍內(nèi)的吸收光譜

太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)海水淡化為解決全球淡水短缺問(wèn)題提供了新方法。為使太陽(yáng)能蒸發(fā)器的效率更接近其熱力學(xué)極限，先進(jìn)材料性能和結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用在太陽(yáng)能界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)和能量利用效率最大化中起著至關(guān)重要的作用。針對(duì)傳統(tǒng)體蒸發(fā)系統(tǒng)存在能量轉(zhuǎn)換效率低、響應(yīng)速度慢等問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)從三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手，提出將超親水多孔結(jié)構(gòu)和功能化碳基顆粒的優(yōu)勢(shì)集于一身。如圖1所示，經(jīng)氧化石墨烯沉積后的超親水泡沫銅骨架表面具有粗糙的片狀微納米結(jié)構(gòu)。照射至表面的太陽(yáng)入射光在微觀表面形貌及宏觀三維腔體結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用下進(jìn)行多次漫反射和光陷阱吸收，使該表面具備極高的太陽(yáng)光吸收率。

圖2.毛細(xì)管效應(yīng)表征。(a)傾斜SHiCF-GO、SHiCF蒸發(fā)器和無(wú)塵紙包覆的蒸發(fā)器的毛細(xì)上升特性。(b)毛細(xì)上升高度隨時(shí)間的變化關(guān)系。(c)水輸送以及蒸汽擴(kuò)散的協(xié)同作用示意圖。(d)限制蒸汽擴(kuò)散方式示意圖

無(wú)塵紙和超親水骨架作為水輸送路徑，推動(dòng)液體分子沿骨架連續(xù)攀升，繼而向界面擴(kuò)散，以補(bǔ)充相變蒸發(fā)的水。如圖2所示，水分子在骨架周圍聚集形成超薄水層，而不是填充在多孔結(jié)構(gòu)的通孔內(nèi)，既可以防止太陽(yáng)能加熱多余的水，又可以暴露盡可能多的蒸發(fā)面積，增加水蒸氣擴(kuò)散的路徑。

圖3.蒸發(fā)性能。(a)水的質(zhì)量變化。(b)不同配置蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率。(c)雙層蒸汽擴(kuò)散路徑、無(wú)塵紙蒸汽擴(kuò)散路徑和SHiCF-GO蒸汽擴(kuò)散路徑的蒸發(fā)率。(d)本工作中以及文獻(xiàn)中報(bào)道的蒸發(fā)器性能對(duì)比

圖4.三維太陽(yáng)能蒸發(fā)器的能量平衡和熱損失圖

該研究通過(guò)對(duì)比九組不同配置的蒸發(fā)系統(tǒng)蒸發(fā)率得出一倍太陽(yáng)光強(qiáng)下SHiCF-GO-2.5蒸發(fā)器的最大蒸發(fā)速率為1.71 kg?m?2?h?1，能量利用效率高達(dá)93%，其蒸發(fā)性能在近期報(bào)道的太陽(yáng)能蒸發(fā)器中處于較高水平?；诰钟蚬鉄徂D(zhuǎn)換的錐形太陽(yáng)能界面蒸發(fā)設(shè)計(jì)將能量轉(zhuǎn)換集中在蒸發(fā)界面，通過(guò)在太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換材料、界面蒸發(fā)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)絕熱設(shè)計(jì)等方面的協(xié)同創(chuàng)新，大幅提升了系統(tǒng)的蒸發(fā)速率和能量利用效率。該研究為太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)光熱蒸發(fā)提供了一種有效途徑，可作為從海水中提取淡水以及污水凈化的潛在候選者。

胡靜教授，現(xiàn)任香料香精化妝品學(xué)部副主任，先后榮獲教育部“青年長(zhǎng)江學(xué)者”（2020），上海市“曙光學(xué)者”（2019），上海市教育系統(tǒng)“三八紅旗手”（2018），上海市“最美教師”(2017)，上海市“青年拔尖人才”(2017),上海市青年“五四”獎(jiǎng)?wù)?2015)，上海市“青年科技啟明星(A類)”(2014)，上海市“晨光學(xué)者”(2010)人才稱號(hào)。課題組從事香精香料緩控釋，氣味分子相互作用，潛香體合成與控釋等方向研究。課題組致力于完善青年教師與研究生的科研環(huán)境，激發(fā)青年科研人員的創(chuàng)新能力。呂鳳勇老師是我校新進(jìn)教師，為本文第一作者。香精香料技術(shù)與工程是一門(mén)以化學(xué)，材料，生物，食品等作為主要基礎(chǔ)的應(yīng)用學(xué)科。該項(xiàng)研究成果在國(guó)際具有重要影響力期刊上的發(fā)表，反映了胡靜教授在學(xué)科交叉的構(gòu)想設(shè)計(jì)上初步成效。