江代君，鄭 臻，吳炎琳， 吳 琳，王 軍

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 311122；2. 江蘇省太陽能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096；3. 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京 210096)

0 引言

基于太陽能熱利用的光熱蒸發(fā)技術(shù)具有無污染、安全可靠、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，已被廣泛應(yīng)用于海水淡化等領(lǐng)域。截至目前，光熱蒸發(fā)技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了3種方式：1)光熱材料固定在水體底部被加熱；2)光熱材料分散在水體中被加熱；3)光熱材料漂浮在水體表面被加熱，即界面光熱蒸發(fā)技術(shù)。光熱蒸發(fā)技術(shù)的3種方式如圖1所示[1]。

圖1 光熱蒸發(fā)技術(shù)的3種方式Fig. 1 Three ways of photothermal evaporation technologies

光熱蒸發(fā)技術(shù)的前2種方式需利用昂貴且精細(xì)的聚光器件聚焦弱太陽輻射，以達(dá)到較高溫度，從而進(jìn)行海水蒸發(fā)，因此普遍存在光熱轉(zhuǎn)換效率低、投資成本高等缺點(diǎn)。而界面光熱蒸發(fā)技術(shù)能夠?qū)⑹占奶栞椛淠苻D(zhuǎn)換為熱能后限制在薄薄的表水層，而不是加熱整個(gè)水體，使該熱能可以直接、有效地被表水層吸收并利用，大幅降低了其在水體及周圍環(huán)境的熱損失，從而整體提高了光熱轉(zhuǎn)換效率，目前界面光熱蒸發(fā)技術(shù)最高可實(shí)現(xiàn)約90%的光熱轉(zhuǎn)換效率[1]。界面光熱蒸發(fā)技術(shù)的潛在應(yīng)用范圍廣泛，可普遍用于海水淡化、滅菌及發(fā)電等領(lǐng)域。

本文介紹了界面光熱蒸發(fā)器的組成及運(yùn)行過程，并對(duì)其性能評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了概述，詳細(xì)討論了影響界面光熱蒸發(fā)器性能的因素，概括了其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用情況，最后展望了界面光熱蒸發(fā)器潛在的發(fā)展與應(yīng)用方向。

1 界面光熱蒸發(fā)器的基本介紹及其性能評(píng)價(jià)方法

1.1 界面光熱蒸發(fā)器的基本介紹

典型的界面光熱蒸發(fā)器一般包括光熱吸收層、隔熱層及水汽輸運(yùn)通道[2]。該器件的工作過程為：1)入射太陽光被界面光熱蒸發(fā)器的光熱吸收層吸收并轉(zhuǎn)換為熱能；2)在毛細(xì)作用力下，水通過隔熱層中布置的水汽輸運(yùn)通道從下到上逐漸浸潤光熱吸收層，并在光熱吸收層頂部積聚成薄薄的表水層；3)光熱吸收層將表水層中的水加熱并蒸發(fā)成蒸汽；4)隨著光熱吸收層不斷吸收太陽光，表水層的水逐漸蒸發(fā)，而水中的雜質(zhì)被滯留在光熱吸收層中，從而實(shí)現(xiàn)了水蒸氣的收集。界面光熱蒸發(fā)器的工作過程示意圖如圖2所示[2]。

圖2 界面光熱蒸發(fā)器的工作過程示意圖Fig. 2 Schematic diagram of operating process of interfacial photothermal evaporation device

通過分析界面光熱蒸發(fā)器的工作過程可以發(fā)現(xiàn)，光熱吸收層的光吸收性、隔熱層的熱管理能力，以及水汽輸運(yùn)通道的水汽輸運(yùn)能力是影響該器件實(shí)現(xiàn)高效光熱蒸汽轉(zhuǎn)換的3個(gè)核心要素。因此，界面光熱蒸發(fā)器需要盡可能多的吸收入射太陽光，將熱能限制在表水層、減少熱能在環(huán)境與冗余水體中的熱損失，此外應(yīng)具有充足的水汽輸運(yùn)能力以保證蒸發(fā)過程的連續(xù)性。

1.2 界面光熱蒸發(fā)器的性能評(píng)價(jià)方法

由于界面光熱蒸發(fā)器的光熱轉(zhuǎn)換效率越高，其在相同太陽輻射條件下用來蒸發(fā)水的能量就越多，因此常以光熱轉(zhuǎn)換效率作為評(píng)價(jià)界面光熱蒸發(fā)器性能的最主要指標(biāo)。界面光熱蒸發(fā)器的光熱轉(zhuǎn)換效率η的物理意義是指該器件用來加熱并蒸發(fā)水的熱能占入射太陽輻射能的比例[3]，一般可表示為：

值得注意的是，在計(jì)算m·時(shí)應(yīng)考慮到水的自然蒸發(fā)所帶來的影響，即應(yīng)采用水的凈蒸發(fā)速率來計(jì)算，研究人員通常采用有光照時(shí)水的蒸發(fā)速率減去黑暗環(huán)境中水的蒸發(fā)速率來計(jì)算水的凈蒸發(fā)速率。

為了更好地提高界面光熱蒸發(fā)器的性能，研究人員對(duì)該器件中光熱吸收層的光吸收性、隔熱層的熱管理能力及水汽輸運(yùn)通道的水汽輸運(yùn)能力這幾個(gè)方面進(jìn)行了研究與優(yōu)化。下文將逐一介紹這3個(gè)方面對(duì)界面光熱蒸發(fā)器性能的影響規(guī)律。

2 光熱吸收層的光吸收性的研究與優(yōu)化

吸收太陽光是界面光熱蒸發(fā)器進(jìn)行光熱蒸發(fā)的第一步，因此光熱吸收層材料(即光熱材料)的選擇尤為重要，理想的光熱材料是能夠在全太陽光譜范圍內(nèi)達(dá)到較高光吸收率的材料。

此外，光熱材料良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也能讓其在整個(gè)太陽光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的光吸收，因此可通過對(duì)光熱材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈⒂^形貌設(shè)計(jì)來增加其吸光面積，從而增加其光吸收性能。

2.1 光熱材料的選擇

目前，常見的光熱材料主要可分為4類：金屬材料、半導(dǎo)體材料、高分子材料和碳基材料。而將上述2種或2種以上的光熱材料進(jìn)行結(jié)合形成的復(fù)合光熱材料，同樣能表現(xiàn)出優(yōu)異的光吸收性能。

2.1.1 金屬材料

金屬材料可通過等離子體共振形成局域熱效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換。當(dāng)入射光頻率和金屬表面電子的固有頻率匹配時(shí)，金屬納米顆粒就能對(duì)太陽光譜的部分波段產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收效果，而通過調(diào)節(jié)金屬納米顆粒的尺寸和形狀，則可實(shí)現(xiàn)太陽光寬光譜的吸收。2014年，WANG等[4]將粒徑為18 nm的金納米顆粒組裝成金納米薄膜，該薄膜對(duì)可見光有較強(qiáng)的吸收率。同樣地，杜克大學(xué)的研究人員通過在自聚集的Al2O3納米線上濺射一層40 nm厚的金納米顆粒，得到了一種大面積柔性黑金薄膜，該薄膜可以在400～2500 nm波段內(nèi)吸收高達(dá)91%的入射太陽光[5]。

由于金、銀等貴金屬的成本高昂，研究人員逐漸將目光投向了價(jià)格低廉的普通金屬——鋁。因?yàn)殇X的等離子體共振頻率比金或銀的大，因此鋁納米顆粒在紫外波段擁有顯著的等離子體響應(yīng)。ZHOU等[6]將鋁納米顆粒沉積在多孔Al2O3薄膜上制備出了成本較低廉的多孔Al2O3薄膜，該薄膜在太陽光寬光譜內(nèi)的光吸收率高達(dá)96%，顯示出了超強(qiáng)的寬光譜吸收特性。

綜上可知，利用金屬納米顆粒制備的光熱材料具有對(duì)入射太陽光的強(qiáng)吸收性能。但值得注意的是，金屬納米顆粒的成本高昂且制作規(guī)模有限，且其不穩(wěn)定性與毒性也進(jìn)一步阻礙了其作為光熱材料的推廣應(yīng)用。

2.1.2 半導(dǎo)體材料

當(dāng)入射的光子能量大于半導(dǎo)體材料的帶隙能量時(shí)，半導(dǎo)體材料將會(huì)被激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，高于帶隙能量的電子-空穴對(duì)將會(huì)弛豫到帶隙邊緣，并將多余的能量轉(zhuǎn)換成熱能，因此，通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體材料的帶隙大小就可以控制半導(dǎo)體材料的光吸收能力。目前常見的可作為光熱材料的半導(dǎo)體材料多為低成本、低毒性、窄禁帶的半導(dǎo)體材料。ZHANG等[7]通過控制無機(jī)半導(dǎo)體材料的形狀，制備出了多種不同形狀的Cu7S4納米薄膜，該納米薄膜在近紅外區(qū)域有較好的光熱轉(zhuǎn)換能力，其在1 kW/m2的紅外燈照射下實(shí)現(xiàn)了77.1%的光熱轉(zhuǎn)換效率，這一發(fā)現(xiàn)證明了無機(jī)半導(dǎo)體材料可以作為光熱材料應(yīng)用于海水淡化中。此外，鈦基半導(dǎo)體如黑TiO2、黑TiOx和窄帶隙的Ti2O3也被證明可以有效吸收太陽光，并可作為光熱材料[8]。

目前常應(yīng)用于光吸收領(lǐng)域的半導(dǎo)體材料多為金屬氧硫族化合物、黑鈦類化合物。但受半導(dǎo)體材料能帶間隙的限制，該類材料的光吸收能力相對(duì)較弱，導(dǎo)致其在光熱蒸發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用也受到了一定限制。

2.1.3 高分子材料

高分子材料也稱為聚合物材料，該類材料因其外觀呈黑色而表現(xiàn)出優(yōu)異的光吸收能力，其主要是通過晶格振動(dòng)或聲子散射將光能轉(zhuǎn)換為熱能釋放出來。

常見的有機(jī)聚合物材料主要包括聚吡咯和吲哚菁綠。ZHAO等[9]研究了一種將聚吡咯鏈入聚乙烯醇網(wǎng)格的多級(jí)納米結(jié)構(gòu)凝膠材料，該類材料在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽下呈現(xiàn)出了優(yōu)異的光吸收性，幾乎沒有光損失，其光熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)94%；而且該材料中的微納網(wǎng)格可減少水的汽化潛熱，提高了材料的光熱轉(zhuǎn)換效率。WANG等[10]通過化學(xué)氣相沉積法制備了具有聚吡咯涂層的人造光熱3D錐，該3D錐在整個(gè)太陽光譜中顯示出了高達(dá)99.2%的光吸收率，與超黑材料的性能相當(dāng)。清華大學(xué)的研究人員研究出了一種新型聚合物，可以將其溶液加工成自浮式整體泡沫，該整體泡沫在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽下的光熱轉(zhuǎn)換效率可與最佳的石墨烯基蒸發(fā)器的相媲美，即使在0.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽下，該整體泡沫的光熱轉(zhuǎn)換效率也可以達(dá)到80%[11]。

2.1.4 碳基材料

碳基材料具有寬光譜范圍的太陽光吸收能力，對(duì)太陽光分布較為集中的可見光及近紅外光具有強(qiáng)烈的吸收能力，并且該類材料的成本低廉、穩(wěn)定性佳?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，多種碳基材料被用作光熱蒸發(fā)器中的光熱材料，如生物質(zhì)基無定形碳、石墨烯、氧化石墨烯、還原氧化石墨烯、碳納米管、石墨及炭黑。

生物質(zhì)基無定形碳可通過對(duì)天然植物進(jìn)行簡(jiǎn)單的碳化處理等手段來獲得。XUE 等[12]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過350 ℃碳化處理的木塊在300～780 nm的紫外和可見光波段內(nèi)的光吸收率高達(dá)99%，在780～2500 nm的近紅外波段的光吸收率則為97%，均遠(yuǎn)高于原始木塊在相應(yīng)波段的光吸收率。同樣地，ZHU等[13]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過500 ℃碳化處理的木塊在太陽光寬光譜范圍內(nèi)的光吸收率高達(dá)99%，在10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽下的光熱轉(zhuǎn)換效率約為87%。ZHU等[14]將白蘿卜在750 ℃條件下碳化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)碳化白蘿卜的厚度超過1.7 mm時(shí)，其在250～2500 nm波長范圍內(nèi)呈現(xiàn)出強(qiáng)光吸收性。JIANG等[15]在纖維素納米纖維(CNF)上布置了碳納米管(CNT)層以實(shí)現(xiàn)太陽光的有效利用，結(jié)果顯示，該材料在300～1200 nm波長范圍內(nèi)的光吸收率超過了97.5%。此外，在纖維素表面噴涂碳黑納米顆粒也可有效提升纖維素的光吸收率，以實(shí)現(xiàn)光熱蒸發(fā)效果[16]。GHASEMI等[17]合成了一種由碳泡沫層支撐剝離石墨層的雙層結(jié)構(gòu)材料，剝離石墨層在250～2250 nm波長范圍內(nèi)的光吸收率超過97%，該材料在10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽下的光熱轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到85%。CUI等[18]以多孔石墨烯作為光熱材料，將其應(yīng)用于光熱蒸發(fā)器后成功產(chǎn)生了水蒸氣，結(jié)果顯示，多孔石墨烯在紫外、可見光和近紅外波段的反射率很小，透射率可以忽略不計(jì)，因此其在太陽光寬光譜內(nèi)的光吸收率高達(dá)97.4%。

總體來看，碳基材料的種類豐富、成本低廉、具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性及環(huán)境友好性，并且其光吸收能力較高，具有成為界面光熱蒸發(fā)技術(shù)中光熱材料的超強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。

2.2 光熱材料的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

除了選擇光吸收率較高的光熱材料外，對(duì)材料表面進(jìn)行合理的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也能大幅增強(qiáng)光吸收層的光吸收效果。目前，光熱材料常見的陷光結(jié)構(gòu)可以分為規(guī)則分布的孔洞結(jié)構(gòu)及不均勻分布的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

2.2.1 規(guī)則分布的孔洞結(jié)構(gòu)

自然界中許多植物擁有精妙的微觀結(jié)構(gòu)。例如：樹木通過管腔從下到上輸運(yùn)水及營養(yǎng)物質(zhì)，而管腔之間是通過微孔通道進(jìn)行連接。研究人員發(fā)現(xiàn)，某些木材具有輪廓分明的微孔通道：直徑為幾微米的纖維細(xì)胞孔均勻包圍在直徑為50～100 μm的大通孔周圍。已有研究表明：利用圖3所示[12]的具有規(guī)則分布的孔洞結(jié)構(gòu)的木材作為基板，再在其上布置有效的碳基材料可以形成光熱材料。比如，可在木材表面孔洞中噴涂石墨[19](如圖4所示)，也可噴Pd、Au與Ag等金屬納米顆粒(如圖5所示[20])，形成光熱材料，此種光熱材料可有效起到陷光作用。這種將吸熱材料均勻分布在天然木塊表面形成光熱材料的方式簡(jiǎn)單可行，有效利用了植物天然精妙的管腔結(jié)構(gòu)，且不同植物的管腔結(jié)構(gòu)各有特色，這也意味著光熱材料可以通過改變植物基板的種類來獲得不同的表面形貌分布和陷光結(jié)構(gòu)。

圖3 以具有規(guī)則分布孔洞結(jié)構(gòu)的木材作為基板的光熱材料Fig. 3 Photothermal material using wood with regularly distributed hole structure as substrate

圖4 表面孔洞中噴涂石墨的木材的制造過程Fig. 4 Manufacturing process of wood coated with graphite in surface holes

圖5 天然木材與表面孔洞中噴涂Pd、Au、Ag納米顆粒的木材Fig. 5 Natural wood and wood coated with Pd，Au，Ag nanoparticles in surface holes

也有學(xué)者通過模擬手段來研究光熱材料的基材表面規(guī)則分布的孔洞結(jié)構(gòu)。為探究孔洞尺徑及分布情況對(duì)光吸收性的影響，ZHU等[13]對(duì)簡(jiǎn)化后的木塊單元進(jìn)行了光學(xué)建模以計(jì)算其光吸光收率，研究人員通過改變?nèi)肷涔饨嵌群湍緣K的孔徑發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入射光角度為10°且入射光波長為550 nm時(shí)，孔徑超過100 nm的木塊的光吸收率均可超過80%。因此得出結(jié)論：大孔徑有利于木材的光吸收性，尤其是當(dāng)孔徑超過30 μm時(shí)，木材的光吸收性更好。這是因?yàn)檫@種孔洞結(jié)構(gòu)更有利于入射光被捕獲，被更深的透過直至被完全吸收。

此外，人工構(gòu)建的光熱材料中的規(guī)則孔洞結(jié)構(gòu)同樣可以表現(xiàn)出優(yōu)異的陷光效果，例如：將鋁箔與陽極氧化膜結(jié)合，制備成具有3D蜂窩煤式孔洞結(jié)構(gòu)的氧化鋁膜。鋁箔、陽極氧化膜及氧化鋁膜的模型及實(shí)物圖如圖6所示[6]。這種孔徑約為300 nm的3D蜂窩煤式孔洞結(jié)構(gòu)能夠減少光熱材料表面的光反射、增加其內(nèi)部的光散射，進(jìn)一步提高光熱材料的總吸光性能。

圖6 鋁箔、陽極氧化膜及氧化鋁膜的模型圖及實(shí)物圖Fig. 6 Model and photo of aluminum foil，anodic aluminum oxide film and aluminum oxide film

2.2.2 不均勻分布的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

在諸多光熱材料中，與規(guī)則分布的孔洞結(jié)構(gòu)相比，最常見的是不均勻分布的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。研究人員發(fā)現(xiàn)，一些由聚乙烯醇、聚氨酯或三聚氰胺等制成的商業(yè)用海綿，均具有豐富的開孔結(jié)構(gòu)和類似于交錯(cuò)樹根的骨架。已有文獻(xiàn)將各類海綿作為骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行光熱材料的合成。如PAPAVASSILION課題組在空氣中煅燒三聚氰胺從而得到了碳化三聚氰胺海綿，如圖7所示，這種孔隙發(fā)達(dá)且孔徑大小不一的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)材料在煅燒后尺寸明顯縮小但形狀基本不變[21]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：這種具有分布不均勻的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的材料能夠大幅增加吸光面積，該材料的光熱轉(zhuǎn)換效率可達(dá)92%。

圖7 碳化前、后三聚氰胺海綿的SEM圖Fig. 7 SEM images of melamine sponge before and after carbonization

此外，BAE等[22]發(fā)現(xiàn)自聚集的Al2O3金屬納米線束能夠隨機(jī)組裝出類山脊和山谷的微型網(wǎng)狀漏斗形結(jié)構(gòu)，如圖8所示，正是由于這些從零到數(shù)百的納米及微米尺度間隙構(gòu)成的網(wǎng)狀漏斗形結(jié)構(gòu)才使采用該結(jié)構(gòu)的材料實(shí)現(xiàn)了對(duì)寬光譜太陽光的吸收，且此種結(jié)構(gòu)使光熱材料在厚度小于17 μm時(shí)的平均光反射率僅為7%，充分說明了這種網(wǎng)狀漏斗形結(jié)構(gòu)能有效減少光反射。

圖8 自聚集的Al2O3金屬納米線束隨機(jī)組裝成的類山脊和山谷的微型網(wǎng)狀漏斗形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)示意圖及其SEM圖Fig. 8 Design schematic and SEM image of miniature reticular funnel shaped structure of ridges like and valleys like randomly assembled self-aggregated Al2O3 metal nanowire bundles

3 隔熱層的良好熱管理能力

在界面光熱蒸發(fā)器進(jìn)行光熱蒸發(fā)的過程中，熱能的利用與分配方式成為了影響其最終性能的關(guān)鍵因素。因此，如何使光熱吸收層的熱能局限于表水層中而不是向外部環(huán)境傳遞，即如何利用隔熱層實(shí)現(xiàn)良好的熱管理對(duì)于界面光熱蒸發(fā)器至關(guān)重要。界面光熱蒸發(fā)器的熱源為光熱吸收層吸收的太陽輻射能，主要是用于加熱并蒸發(fā)水以生成水蒸氣。界面光熱蒸發(fā)技術(shù)的熱能利用示意圖如圖9所示[23]。

圖9 界面光熱蒸發(fā)技術(shù)的熱能利用示意圖Fig. 9 Schematic diagram of thermal energy utilization of interfacial photothermal evaporation technology

界面光熱蒸發(fā)器中，光熱吸收層中的熱能會(huì)存在熱損失，其中主要的熱損失包括該器件面向環(huán)境的熱輻射損失、與空氣及與水體的熱對(duì)流損失[23]這3個(gè)方面。此過程的熱平衡公式可表示為：

式中：α為光熱吸收層的光吸收率；qsolar為入射太陽光的熱流密度；qrad為界面光熱蒸發(fā)器對(duì)外的熱輻射損失密度；qconv為界面光熱蒸發(fā)器與周圍空氣的熱對(duì)流損失密度；qcond為界面光熱蒸發(fā)器與水體的熱對(duì)流損失密度。

由式(2)可知，隔熱層良好的熱管理能力可以從以下3個(gè)方面分別或共同進(jìn)行：1)減少界面光熱蒸發(fā)器對(duì)環(huán)境的熱輻射損失；2)減少該器件與周圍空氣的熱對(duì)流損失；3)減少該器件與下部水體的熱對(duì)流損失。

NI等[3]將涂覆在銅片上的金屬陶瓷作為光熱吸收層，并在其頂部布置了一張透明絕熱氣泡膜做成的對(duì)流罩，同時(shí)還在其底部加設(shè)了聚苯乙烯泡沫盤。這種同時(shí)在光熱吸收層頂部和底部使用絕熱材料的方式其實(shí)是形成了隔熱層，可以減少與空氣的對(duì)流損耗，并降低下面水體的熱對(duì)流損失。研究人員強(qiáng)調(diào)，雖然對(duì)流罩在一定程度上減少了光熱吸收層吸收的太陽輻射能，但同時(shí)也減少了熱對(duì)流損失，最終能夠?qū)崿F(xiàn)器件光熱蒸發(fā)性能的優(yōu)化。該隔熱層的設(shè)計(jì)如圖10所示。

圖10 可減小與空氣及水體熱對(duì)流損失的隔熱層設(shè)計(jì)Fig. 10 Insulation layer design that can reduce heat convection loss with air and water

GUO等[24]將沉積在多孔混合纖維素膜上的氧化石墨烯雙面膜作為光熱吸收層，以膨脹聚乙烯泡沫作為隔熱層與水體隔離，并采用多個(gè)吸水棉芯源源不斷向上供應(yīng)水源，這種隔熱方式能有效阻擋氧化石墨烯雙面膜向下部水體傳遞熱量。LI等[25]受植物自然蒸騰過程的啟發(fā)，利用氧化石墨烯設(shè)計(jì)了一種3D人工蒸騰器，如圖11所示，該器件特殊的傘形結(jié)構(gòu)能夠在熱輻射損失和熱對(duì)流損失最小化的同時(shí)又不損害光吸收率，其在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽下的光熱轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到85%以上。

圖11 傳統(tǒng)的2D直接接觸裝置及3D人工蒸騰器中的熱輻射損失和熱對(duì)流損失最小化的設(shè)計(jì)Fig. 11 Traditional 2D direct contact device and design method for minimizing radiation loss and convection loss in umbrellashaped artificial transpiration device

此外，有些界面光熱蒸發(fā)器不需要額外設(shè)置隔熱層來進(jìn)行熱管理，而是由光熱吸收層來完成額外的熱管理。XUE等[12]碳化了木塊表面并將碳化后的木塊作為光熱吸收層，由于木塊的熱導(dǎo)性較低，這種設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以將木塊的未碳化區(qū)作為隔熱層，阻礙熱量耗散。這種渾然一體的隔熱層熱管理設(shè)計(jì)使界面光熱蒸發(fā)器的光熱吸收層和隔熱層無縫連接，確保了該器件的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

4 水汽輸運(yùn)通道中充足的水汽

水汽輸運(yùn)通道中充足的水汽能保證界面光熱蒸發(fā)器光熱蒸發(fā)過程的連續(xù)性。根據(jù)已有研究發(fā)現(xiàn)：界面光熱蒸發(fā)器的水汽輸運(yùn)設(shè)計(jì)已由3D、2D逐漸發(fā)展到了1D。早期時(shí)，研究人員將光熱吸收層與水汽輸運(yùn)通道進(jìn)行結(jié)合，讓光熱材料同時(shí)實(shí)現(xiàn)吸熱和水汽輸運(yùn)這2個(gè)功能。比如：將聚吡咯鏈入聚乙烯醇網(wǎng)格的多級(jí)納米結(jié)構(gòu)凝膠材料(HNG)具有直徑約為150 μm的寬間隙，此種寬間隙分割出了HNG的多孔結(jié)構(gòu)，這些孔洞形成了寬度從幾微米到10 μm的通道，內(nèi)部間隙和微米通道形成了3D水汽輸運(yùn)通道，如圖12所示，其可以快速補(bǔ)充水分子以高速率持續(xù)產(chǎn)生蒸汽[9]。

圖12 凝膠材料中的3D水汽輸運(yùn)通道Fig. 12 3D water vapor transport channel in gel material

也有研究人員為了解水在水汽輸運(yùn)通道中的流動(dòng)情況而進(jìn)行了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬。LIU等[26]對(duì)表面碳化的木塊構(gòu)建了3D物理模型并進(jìn)行了CFD模擬，以木材SEM圖中管腔及壁厚等數(shù)據(jù)構(gòu)建了接近真實(shí)的小型木塊單元，如圖13所示。模擬結(jié)果顯示：水平放置的木塊的微毛細(xì)管確實(shí)可以進(jìn)行充足的水汽輸運(yùn)，且側(cè)壁上的垂直微小凹坑(直徑約為2 μm)可以調(diào)節(jié)水汽流量。然而，研究人員逐漸意識(shí)到在這種3D水汽輸運(yùn)通道設(shè)計(jì)中，光熱吸收層是直接與水體接觸，這將大幅增加熱能與水體之間的熱對(duì)流損失，同時(shí)3D水汽輸運(yùn)通道在傳輸水汽的同時(shí)也將大幅增加光熱材料的導(dǎo)熱率，進(jìn)一步增加光熱材料的熱損失。

圖13 木材中的3D水汽輸運(yùn)通道結(jié)構(gòu)Fig. 13 3D water vapor transport channel structure in wood

針對(duì)以上3D水汽輸運(yùn)方式存在的不足，研究人員將思路轉(zhuǎn)向了2D水汽輸運(yùn)通道。LI等[27]將氧化石墨烯膜作為光熱吸收層，并在其底部包裹了一層薄纖維素以實(shí)現(xiàn)2D水汽輸運(yùn)方式，如圖14所示，整個(gè)光熱蒸發(fā)器件可自然地漂浮于水面，且只有纖維素的底部與水體直接接觸。研究人員表示，與3D水汽輸運(yùn)方式相比，2D水汽輸運(yùn)方式由于減少了水汽輸運(yùn)路徑，既能大幅降低水的散熱損失，又能抑制寄生散熱損失。

圖14 含氧化石墨烯膜的纖維素2D水汽輸運(yùn)方式設(shè)計(jì)Fig. 14 Design of cellulose 2D water vapor transport method with graphene oxide films

1D水汽輸運(yùn)方式可將光熱蒸發(fā)器的隔熱層與水汽輸運(yùn)通道分離，即隔熱層只采用阻礙熱量傳遞的閉孔結(jié)構(gòu)，而水汽輸運(yùn)通道則盡可能只具有輸送水汽的功能。通過這種設(shè)計(jì)能夠較好平衡熱管理與水汽輸運(yùn)。XU等[28]將具有傘狀結(jié)構(gòu)的蘑菇進(jìn)行碳化處理后得到一種光熱蒸發(fā)器。研究人員強(qiáng)調(diào)，在該光熱蒸發(fā)器中，蘑菇特有的纖維菌柄不僅能有效供水，還能將水路限制在1D狀態(tài)，從而將熱對(duì)流損失降至最低，具體如圖15所示。類似的研究還有人工蘑菇設(shè)計(jì)，將涂有炭的聚乙烯醇海綿作為菌帽，設(shè)計(jì)了一個(gè)用于供水的1D莖稈，該設(shè)計(jì)方式可有效減少菌帽與水體之間的熱對(duì)流交換[29]。

圖15 以蘑菇菌柄作為1D水汽輸運(yùn)通道Fig. 15 Use mushroom stalk as 1D water vapor transport channel

5 界面光熱蒸發(fā)器的多種應(yīng)用

界面光熱蒸發(fā)器能夠?qū)⑻栞椛淠苻D(zhuǎn)換成熱能進(jìn)而轉(zhuǎn)成蒸汽后進(jìn)行再次利用，此種轉(zhuǎn)換過程使其可以應(yīng)用于多種領(lǐng)域，如海水淡化、滅菌及發(fā)電等。GONG等[21]利用碳化三聚氰胺海綿作為光熱吸收層進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過戶外實(shí)驗(yàn)證明，在陽光下照射了10 h后，采用面積為1 m2的碳化三聚氰胺的界面光熱蒸發(fā)器可以產(chǎn)生5～8 kg的淡水。李金磊[30]以低價(jià)不銹鋼為基體開發(fā)了一種基于界面加熱的太陽能蒸汽滅菌鍋，驗(yàn)證結(jié)果顯示：對(duì)于所有的目標(biāo)細(xì)菌，界面加熱太陽能蒸汽滅菌鍋可以實(shí)現(xiàn)接近約99.999999%的滅菌效果。此外，界面光熱蒸發(fā)器還可與熱電材料結(jié)合，以達(dá)到同時(shí)產(chǎn)出淡水與電能的目的。LI等[31]使用可伸縮和低成本的非織造材料涂層石墨顆粒作為柔性且可折疊的界面光熱蒸發(fā)器，在100℃熱蒸汽與25 ℃室溫的溫度梯度下，耦合的熱電模塊能夠在30 kW/m2條件下生成開路電壓為3.87 V、短路電流為0.55 A的電流。

6 展望

在過去10年間，界面光熱蒸發(fā)領(lǐng)域取得了重大突破。盡管目前在該領(lǐng)域已經(jīng)有了諸多具有創(chuàng)新性的文獻(xiàn)研究，但仍存在許多潛在的優(yōu)化方向：

1)缺乏光熱蒸發(fā)機(jī)理的研究。目前的研究仍停留在對(duì)光熱材料的選擇及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果的探究上，缺少了與光熱蒸發(fā)相關(guān)的動(dòng)力學(xué)、傳熱傳質(zhì)的機(jī)理解釋，對(duì)界面光熱蒸發(fā)器內(nèi)的熱場(chǎng)與流場(chǎng)耦合問題還需進(jìn)行較大探究。探究這些更深層次的機(jī)理問題將極有利于解決光熱蒸發(fā)領(lǐng)域的諸多疑難問題。

2)缺乏界面光熱蒸發(fā)器的耐鹽性研究。器件在多次循環(huán)使用后將存在鹽分結(jié)垢及堵塞問題，這對(duì)熱量傳遞與水汽輸運(yùn)會(huì)存在一定的影響，而目前的研究卻很少涉及相關(guān)方面。

3)界面光熱蒸發(fā)器的戶外運(yùn)行穩(wěn)定性受到考驗(yàn)。已有文獻(xiàn)均報(bào)道了界面光熱蒸發(fā)器在戶外運(yùn)行時(shí)存在耐久性問題，如光熱轉(zhuǎn)換效率、水蒸發(fā)速率不穩(wěn)定，這是界面光熱蒸發(fā)器面向市場(chǎng)推廣的重要挑戰(zhàn)。

7 結(jié)論

本文概述了界面光熱蒸發(fā)器的組成及蒸發(fā)過程，對(duì)其主要性能評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了介紹，總結(jié)了光熱材料的選擇與微觀結(jié)構(gòu)對(duì)該器件光吸收性的影響，從減少熱損失的角度概述了器件的熱管理研究，并從3D、2D和1D水汽輸運(yùn)方式的角度分析了器件的水汽輸運(yùn)情況，最后介紹了界面光熱蒸發(fā)器在海水淡化、發(fā)電與滅菌等領(lǐng)域的多種應(yīng)用，并從3個(gè)方面指明了界面光熱蒸發(fā)器潛在的優(yōu)化方向。