【研究背景】

蒸发是自然界中非常重要的一种现象且广泛应用于各种生产和生活的过程中，比如蒸汽杀菌，蒸汽发电，海水淡化等。2014年以来，界面蒸发凭借“热局域化形成”特点对太阳能热实现了高效利用，引起了研究人员的广泛探索与研究。然而，目前太阳能驱动界面蒸发的研究更多关注于材料吸收率提升对于海水淡化效率的影响，对于气液界面蒸发过程中水运输控制给予了较少的关注度。

【工作介绍】

这里研究人员提出一种新的组装方法“旋转-填充”策略，将商业化的三聚氰胺泡沫（骨架支撑作用），二氧化硅纳米粒子（水的运输调节，增加机械强度），以及墨鱼汁纳米粒子（光吸收作用）巧妙的组合成一种生物安全性高，机械轻度大，自漂浮时间长的墨鱼汁基太阳能驱动界面蒸发器件。

图1 蒸发器件具有不同水运输能力的性能表现：超亲水的设计（左），水运输控制的设计（右）

通过疏水二氧化硅纳米粒子填充所形成的水运输控制的设计，墨鱼汁基蒸发器件在运行过程中维持最大蒸发量同时，实现超过90%水运输量的控制效率。在1倍太阳光照射下，其气液蒸发效率可达到85.8%。通过实验以及COMSOL模拟可知，水运输控制和超亲水设计相比存在以下优点（图1）：1) 适量的水进入吸收器内部可以有效避免吸收体热传导率的大幅度增加，从而利于“热局域化”状态稳定地形成。2) 蒸发器内存在适量的水，可以避免吸收体内部过量水的蒸发显热对于太阳能热的耗损，从而提高太阳能热利用效率。3) 研究人员发现，通过水运输控制，蒸发器边缘由于没有大量的水冷却，形成了额外的蒸发区域（实验中通过计算可知，这一区域的蒸发效率约4.8%）。4) 水运输控制，可以减少太阳能热对额外水的加热，极大缩短了墨鱼汁太阳能蒸发器的蒸发速率响应时间，这一特性有利于蒸发器件在多云天气使用。

图2.（a）在1倍太阳光辐照下，不同盐度海水的质量随时间的变化；（b）墨鱼汁纳米粒子的生物安全性实验：不同浓度的黑色素纳米颗粒的细胞活性测试；（c）和（d）在细胞活性实验中空白组和墨鱼汁纳米颗粒组在24小时变化；（e）户外实验光照强度变化，2019-10-24，舟山，中国；（f）实验前CMF的红外热像仪照片（直径10.25cm），时间2019-10-24，14:30；（g）在自然阳光下，样品直径为4.25厘米（上）和10.25厘米（下部）的光学照片及红外相机照片，时间2019-10-25，10:30至11:30；（h）东海海水脱盐前后元素变化情况的直方图，红色线表示WHO规定的饮用水中相应元素含量的最大值。

此外，研究人员将该墨鱼汁蒸发器件应用于不同浓度的模拟海水和东海海水的淡化实验（图2）。通过实验可知，获得的淡化水质符合WHO的饮用水标准，且进一步研究人员对材料的生物安全性进行考察，以避免其在实际应用中对人体或者海洋生物造成化学伤害。如预期所料，在不同浓度细胞活性实验中，观察到的IC50大于100mg/ml，具有低的毒性和良好的生物适应性。

上述工作近期以“Engineering controllable water transport of biosafety cuttlefish juicesolar absorber toward remarkably enhanced solar-driven gas-liquid interfacialevaporation”[1]为题发表在国际知名期刊Nano Energy，该论文第一作者为陕西科技大学硕士研究生李政通，共同第一作者为浙江海洋大学硕士研究生张静，陕西科技大学王成兵教授和浙江海洋大学周英棠教授为论文共同通讯作者。该工作受到国家自然基金项目，舟山科技项目, 舟山市普陀区环境专项项目等支持。

此外，陕西科技大学王成兵教授团队近几年一直探索生物质材料应用于界面蒸发的差异化研究，并且获得了行业内外研究人员广泛的关注与认可。在Advanced Materials系列子刊Solar RRL发表界面蒸发以生物质相关性为分类标准在材料，结构以及应用方面的前沿进展报告,[2]该论文入选最新一期ESI高被引论文（高被引论文指同年度同学科领域中被引频次排名位于全球前1%的论文）；在AdvancedSustainable Systems发表竹子碳基材料应用于界面蒸发，[3]利用竹子天然拱形结构于蒸发界面所形成的空气间隔，空气具备较低的热传导效率，可以极大减少在蒸发过程中热传导损失，该论文受媒体Materials Views China邀请作亮点报道；在EnergyTechnology发表了面粉基碳材料应用于界面蒸发，[4]受到中国传统工艺“捏泥人”技艺的启发，面粉基碳材料可以制备出多种结构的蒸发器件，如拱形，伞形，空心圆柱，实心圆柱，半球形等典型且高效的蒸发结构，研究人员从系统层次考察同种材料不同堆积方式在界面蒸发过程中能量耗损，充分说明整体的蒸发器件由于存在较低的热阻，对太阳能热的利用更加充分，为界面蒸发器件实际化应用提供了重要参考，该论文被遴选为当期内封面；在Journal of Materials Chemistry A发表土豆碳基材料应用于界面蒸发，[5]研究人员利用碳化后土豆良好润湿性可以在气液界面形成高速水运输通道特点，提出了一种新的界面蒸发抗盐策略，该论文被遴选为当期外封面。

参考文献：

[1] Zhengtong Li, Jing Zhang, Shaohong Zang, Chao Yang, Hua Jin, Fei Jin, Yang Liu, Jiankun Hu, Chengbing Wang*, Yingtang Zhou*, Engineering controllable water transport of biosafety cuttle fish juice solar absorber toward remarkably enhanced solar-drivengas-liquid interfacial evaporation, Nano Energy (2020), DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104834.

[2] Zhengtong Li, Chengbing Wang*, Jinbu Su, San Ling, Wei Wang, Meng An*, Fast-growing field of interfacial solar steamgeneration: evolutional materials, engineered architectures, and synergisti capplications, Solar RRL 3 (2019)1800206.

[3] Zhengtong Li, Chengbing Wang*, Tao Lei, Hailin Ma, Jinbu Su, San Ling, Wei Wang, Arched bamboo charcoal as interfacial solar steam generation integrative device with enhanced water purification capacity, Advanced Sustainable Systems 3 (2019) 1800144

[4]Zhengtong Li, Chengbing Wang*, Zeyu Li,Lin Deng, Jinbu Su, Jin Shi, Meng An*, Efficient interfacial solar steamgenerator with controlled macromorphology derived from flour via "doughfigurine" technology, Energy Technology7(2019) 1980344.

[5]Chengbing Wang,* Jiulong Wang,Zhengtong Li, Keyuan Xu, Weike Wang*, Superhydrophilic porous carbon foam asself-desalting monolithic solar steamgeneration device with extremely highenergy efficiency, Journal of Materials Chemistry A (2020), DOI:10.1039/D0TA01439G.