SmartMat |研究论文：高效太阳能蒸汽发生用乳液模板三维蒸发器的合成

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文章简介

界面太阳能蒸汽发生是清洁水生产的一种现代替代方法，它利用漂浮在水面上的太阳能吸收器来利用太阳能并促进蒸发。这种技术通过仅加热水的顶层来提高太阳能利用效率，避免体积加热。以前设计合适的蒸发器的努力主要集中在通过追求高能效来改善二维（2D）结构或赋予它们独特的脱盐和自愈特性。尽管取得了这些进步，但2D蒸发器仍然存在固有的局限性。最近，人们提出了3D蒸发器，通过将加热表面与水分离来更好地抑制传导热损失，从而显著提高蒸发性能。目前，这些3D蒸发器的实际应用存在一些障碍，其中致命的障碍是缺乏有效的制造方法。许多2D蒸发器需要复杂的制造程序，不容易放大，这对于3D版本来说是一个更严重的问题。将材料切割成所需的形状仍然是一种广泛使用的技术，但是会产生多余的浪费。近日，苏州大学陈金星教授和加州大学殷亚东教授课题组通过使用高内相乳液（HIPE）来模板化3D多孔蒸发器的合成来克服这一挑战。以HIPE为模板的合成方法与成型工艺相结合，可以在不浪费任何材料的情况下有效地制造出所需的三维形状，并产生一个分层多孔的内部结构，以实现连续供水。整体形状和内部孔隙的工程化产生了一个三维蒸发器，它可以抑制传导热损失并有效地收集周围环境的热能，将1-Sun照明下的蒸发率提高到2.82 kg/(m2h)，明显高于传统的2D蒸发器。HIPE模板合成是生产各种多孔聚合物的一种简单而有效的方法，对易于生产、出色的形状控制和潜在的可扩展性至关重要的各种应用很有希望。

图文导读

图1 典型的HIPE及其稳定性。(A) 使用油包水乳化法制造分层多孔聚HIPE泡沫的示意图。(B) HIPE在不同时期的荧光图像，以评估其稳定性。比例尺均为30 μm。(C) 通过随机计数300个不同驻留期的水滴，得出乳液中水滴的大小分布。(D) HIPE的粘度与剪切率的关系。

图 2 PolyHIPEs的微观结构。(A) 三维蒸发器的数字图像。比例尺为2 cm。(B, C) SEM和EDS图像显示了未涂层（B）和涂层（C）区域的蒸发器的结构和元素组成。比例尺都是10 μm。(D) SEM图像显示水相体积百分比为45%、55%、75%和85%的聚HIPE的孔隙结构。比例尺都是10 μm。(E, F）高速摄像机图像，带有水滴吸收聚HIPE75（E）和聚HIPE45（F）的时间刻度。

图3 三维蒸发器中的水蒸发。(A) 显示三维蒸发器的设计和定义温度T1-5的位置的图。(B) 90分钟内单太阳照射下的温度T1-5。(C) 蒸发器在水面上不同高度时各区域的稳态温度（90分钟照射后）。(D) 随着蒸发器高度的变化，散装水在1-Sun照射下的质量变化。(E) 黑暗条件下每个高度的理论和实验的质量变化值。(F) 光照和黑暗条件下每个高度的三维蒸发器的表观蒸发率。

图4 太阳能脱盐性能的评估。(A) 使用三维蒸发器蒸发前后三个模拟海域的盐度水平。(B) 真实海水样品和收集的蒸汽中的Na+、Mg2+、K+和Ca2+阳离子的浓度。(C) 三维蒸发器在36个使用周期内的蒸发率。

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