太陽能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)海水淡化技術(shù)研究進(jìn)展

摘 要：為深入了解太陽能界面蒸發(fā)海水淡化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，從光吸收和熱管理兩個(gè)角度介紹目前太陽能界面蒸發(fā)的研究進(jìn)展，并討論界面蒸發(fā)海水淡化技術(shù)的發(fā)展方向和應(yīng)用前景?？偨Y(jié)不同類別、不同結(jié)構(gòu)的光熱轉(zhuǎn)換材料對光熱利用效率的影響，歸納不同形式的熱量損失對界面蒸發(fā)速率的影響，探討太陽能界面蒸發(fā)海水淡化技術(shù)目前存在的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展，以期對后續(xù)海水淡化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：太陽能；海水淡化；界面蒸發(fā)；光熱轉(zhuǎn)換材料；熱管理

中圖分類號(hào)：P747" " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0592

文章編號(hào)：0254-0096（2024）08-0423-09

桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，桂林 541004

0 引 言

人口變化和工業(yè)化發(fā)展正在影響著人類可支配的水的數(shù)量和質(zhì)量，可直接利用的地下水和淡水僅占地球上總水資源的0.77%，人類面臨著淡水資源稀缺緊張和用水基礎(chǔ)設(shè)施不完備的巨大壓力［1］。淡水資源短缺已成為一個(gè)世界性的問題，在當(dāng)前全球水資源普遍匱乏的情況下，海水淡化已成為解決問題的有效途徑之一［2］。膜蒸餾、反滲透、電滲析、熱蒸餾等技術(shù)被視為傳統(tǒng)的海水淡化方法，但都存在能耗高及維護(hù)運(yùn)營成本高的問題，因此在緩解淡水資源緊張的同時(shí)，需尋求更經(jīng)濟(jì)環(huán)保的新能源作為驅(qū)動(dòng)力［3-6］。

太陽能是指太陽的熱輻射能，可在眾多領(lǐng)域得以應(yīng)用，如光熱利用、發(fā)電利用等［7］。光熱利用即將太陽輻射能通過某種手段轉(zhuǎn)化為可利用的熱能加以利用。太陽能作為可再生的清潔能源之一，近年來備受青睞，然而較低的光熱利用率導(dǎo)致淡水制備效率仍處于較低水平，提高光熱利用效率即光熱轉(zhuǎn)換材料吸收太陽光生成的熱量充分用于驅(qū)動(dòng)水蒸發(fā)，減少熱損失，以獲得高效率的海水蒸發(fā)和淡水收集是非常有必要的，在這一方面，界面加熱和熱量管理是目前較為成熟的策略［8］。太陽能驅(qū)動(dòng)的界面蒸發(fā)因其較高的光熱轉(zhuǎn)換效率成為最有潛力的海水淡化技術(shù)之一，其可將太陽能轉(zhuǎn)換成的熱量集中于蒸發(fā)表面，減少熱能向液體傳導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)更高效的水蒸發(fā)技術(shù)。本文基于上述背景，總結(jié)太陽能界面蒸發(fā)系統(tǒng)的相關(guān)原理，就目前光熱轉(zhuǎn)換材料及熱量管理的研究進(jìn)展展開討論，最后歸納了太陽能界面海水淡化技術(shù)當(dāng)前的技術(shù)研究難題。

1 太陽能界面蒸發(fā)系統(tǒng)的原理

太陽能界面蒸發(fā)系統(tǒng)旨在利用光熱轉(zhuǎn)換材料吸收太陽光后，通過自身機(jī)制轉(zhuǎn)換為熱能用于海水的蒸發(fā)從而生產(chǎn)淡水。底部加熱水蒸發(fā)系統(tǒng)中自下而上的熱梯度不可避免地造成了熱量損失，使得整個(gè)系統(tǒng)的光熱利用率只能維持在30%～45％；相對底部加熱，體積加熱的方式雖然在一定程度上提高了光吸收率，但還是對水蒸發(fā)表面的熱量有所損失［9-11］。麻省理工學(xué)院的陳剛教授課題組于2014年提出“太陽能界面蒸發(fā)”的概念［8］，界面加熱不同于傳統(tǒng)的體積加熱和底部加熱，將光熱轉(zhuǎn)換材料直接置于液體表面，對界面處的水進(jìn)行局部加熱促進(jìn)蒸汽生成。界面式加熱大幅降低了蒸發(fā)過程中的熱量損耗，顯著提高了光熱利用率，相較于底部加熱與整體加熱的方法，界面式加熱將光熱利用率從30%～45%提高至90%以上，且其獨(dú)特之處在于其利用清潔能源，對環(huán)境具有零排放、低污染等卓越優(yōu)點(diǎn)。因此，界面式太陽能蒸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究成為太陽能淡水制備領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

太陽能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)系統(tǒng)主要由蒸發(fā)器和冷凝集水器組成，圖1為簡易的太陽能界面蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)。蒸發(fā)器主要由光熱蒸發(fā)體、水傳輸通道和隔熱保溫層3部分組成［12-14］。光熱蒸發(fā)體的概念是基于漂浮材料位于空氣-水界面處通過吸收太陽能并將其迅速轉(zhuǎn)化為熱能，提供熱量；水傳輸通道通常由導(dǎo)水材料提供，如通過毛細(xì)管將底層水輸送至頂層；隔熱保溫層通常具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，將上層的光熱轉(zhuǎn)換材料與下層的水體隔離，抑制熱傳遞從而實(shí)現(xiàn)高效熱利用。冷凝集水器主要由合適的密閉覆蓋物和收集管組成［12］。目前冷凝收集裝置的研究還存在許多問題，如頂蓋上凝結(jié)的水滴通常會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的光線損失；頂蓋材料由于其透光率的限制，一般存在較大的光損失；陽光直射和蒸汽液化放熱都會(huì)使頂蓋溫度升高影響冷凝。光吸收、熱管理、水供應(yīng)和鹽沉積是決定太陽能界面蒸發(fā)的關(guān)鍵因素，太陽能界面蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)需在以上4個(gè)關(guān)鍵因素之間取得一個(gè)平衡，因此通過優(yōu)化蒸發(fā)器和冷凝器設(shè)計(jì)，獲得更好的淡化、收集效率愈來愈受到關(guān)注。

在太陽光的照射下，水-空氣界面處的光熱蒸發(fā)體吸收太陽光后轉(zhuǎn)換為熱量，然后傳遞給通過水通道傳輸至界面處的水體，界面局域加熱后促使水蒸發(fā)，水蒸氣降溫在頂蓋上冷凝后收集淡水。將具備高效光熱轉(zhuǎn)換能力的蒸發(fā)體置于水-空氣接觸面，可大幅提升光熱利用率，促進(jìn)光熱轉(zhuǎn)換，進(jìn)而快速提升水的蒸發(fā)速率和淡水產(chǎn)量。

水的界面蒸發(fā)速率指單位面積單位時(shí)間內(nèi)水的減少量，可表示為：

[v=ΔmS?t] （1）

式中：[v]——蒸發(fā)速率，kg/（m2·h）；[Δm]——蒸發(fā)水體的質(zhì)量減少量，[kg]；[S]——蒸發(fā)材料的光照投影面積，[m2]；[t]——蒸發(fā)時(shí)間，[h]。

高效界面蒸發(fā)器的研發(fā)對于推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展、促進(jìn)節(jié)能減排等方面具有重要的戰(zhàn)略意義。確保有效的光吸收、適宜的熱管理是獲得高效光熱轉(zhuǎn)換效率、提高海水蒸發(fā)速率和淡水產(chǎn)率的重要手段，也是目前的研究熱點(diǎn)。

2 界面蒸發(fā)光熱轉(zhuǎn)換材料的研究進(jìn)展

隨著對清潔能源的需求日益增長，光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)已成為一個(gè)備受關(guān)注的領(lǐng)域。光吸收是否有效是由太陽光吸收率和光熱轉(zhuǎn)換效率決定的，光熱轉(zhuǎn)換材料作為太陽能界面蒸發(fā)裝置中光熱轉(zhuǎn)換器的核心部分，通過自身的轉(zhuǎn)換機(jī)制能有效吸收太陽輻射并轉(zhuǎn)換為熱能，從而促進(jìn)水分子的傳輸與蒸發(fā)。光熱利用效率與所采用光熱轉(zhuǎn)換材料的性能息息相關(guān)，選擇性能優(yōu)異的光熱材料可減少熱量在流體中的損失，將光熱轉(zhuǎn)換材料生成的熱量充分用于驅(qū)動(dòng)水蒸發(fā)。因此，研究開發(fā)具有高效光熱利用效率的光熱轉(zhuǎn)換材料并探究其機(jī)理，對太陽能光熱海水淡化技術(shù)具有重大意義［15］。

最佳理想狀態(tài)的光熱轉(zhuǎn)換材料應(yīng)具有太陽光譜主要波長范圍（250～2500 nm）的高效吸收能力、近紅外光吸收（近紅外區(qū)域波長范圍廣，為780～2500 nm，在近紅外區(qū)域具有低發(fā)射率可很大程度上減少熱輻射損失，提升光熱轉(zhuǎn)換性能）、高導(dǎo)熱率、耐腐蝕性、耐高溫、來源廣泛、原料成本低且易于生產(chǎn)、綠色環(huán)保等特點(diǎn)［8， 16-17］。到目前為止，已經(jīng)開發(fā)了多種類型的光熱轉(zhuǎn)換材料，包括半導(dǎo)體材料［18-19］、金屬納米材料［20-21］、碳材料［22-24］、有機(jī)聚合物材料［25-26］等。

2.1 半導(dǎo)體材料

無機(jī)半導(dǎo)體材料具有優(yōu)越的光熱轉(zhuǎn)換效率和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，且種類繁多、成本經(jīng)濟(jì)，在界面式太陽能海水淡化領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用具有一定優(yōu)勢。半導(dǎo)體材料是一種特殊的材料，其電子結(jié)構(gòu)具有半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)，由價(jià)帶、禁帶和導(dǎo)帶組成。當(dāng)入射光的能量大于或等于半導(dǎo)體的能帶隙時(shí)會(huì)發(fā)生光子激發(fā)，導(dǎo)致價(jià)帶上的電子躍遷到導(dǎo)帶上，形成電子空穴對，而后被光激發(fā)的電子可重新回到低能級(jí)，并通過輻射弛豫或非輻射弛豫釋放出能量，從而引起局部溫度升高［14， 27］。

常見的半導(dǎo)體材料包括二氧化鈦（TiO2）、氧化鋅（ZnO）、硅（Si）等。這些半導(dǎo)體材料具有出色的光吸收性能、極低的反射率以及高效的熱傳導(dǎo)率，這使得它們可高效地吸收太陽能并將其轉(zhuǎn)化為熱能，從而推動(dòng)水的快速蒸發(fā)。此外，這些材料還具有較好的耐腐蝕性能、機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性，適用于太陽能界面蒸發(fā)中的長期穩(wěn)定工作。TiO2是應(yīng)用最為廣泛的材料之一，而典型的TiO2固有的能帶隙寬度約為3 eV，只對波長lt;400 nm的紫外線照射區(qū)域有響應(yīng)，對還原TiO2的研究已將能帶隙縮小到1.5 eV ［28-30］。研究表明，窄帶隙的半導(dǎo)體材料可實(shí)現(xiàn)更寬波長范圍的光吸收和優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換［31-32］。為得到更高的太陽能利用率，需進(jìn)一步將鈦氧化物的能帶隙縮小到0.5 eV以下。文獻(xiàn)［33］使用納米級(jí)三氧化二鈦（Ti2O3）作為新型太陽能吸收劑用于光熱轉(zhuǎn)換，0.1 eV的窄帶隙使Ti2O3可在全光譜范圍內(nèi)吸收太陽能且光的吸收能力也得到提高，實(shí)現(xiàn)了92%的光熱利用效率。文獻(xiàn)［34］提出一種基于木材基底的CuFeSe2納米顆粒（nanoparticles，NPs）膜，它是一種窄帶隙半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)異的吸光性能，可用于高效的光熱轉(zhuǎn)換，CuFeSe2 NPs只有0.45 eV的禁帶寬隙，能夠吸收全光譜范圍的太陽能。近年來，一些新型的二維半導(dǎo)體材料也被應(yīng)用于太陽能界面蒸發(fā)中，二維半導(dǎo)體材料具有較高的比表面積、優(yōu)異的光熱性能和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)勢，這些特性使其成為太陽能界面蒸發(fā)海水淡化中的理想材料［35-36］。二維半導(dǎo)體材料可用作吸收器，將太陽光轉(zhuǎn)化為熱能，并將其傳遞到海水中，促進(jìn)蒸發(fā)過程，同時(shí)也可用作吸附劑，吸附海水中的鹽分，從而使得蒸發(fā)的水更加純凈。在二維半導(dǎo)體材料中，具有應(yīng)用前景的材料包括過渡金屬二硫化物（transition metal dichalcogenides，TMDs）如MoS2［36-37］和WS2［37］、BN［37］、MXene［35， 38］、黑磷［39］等，這些材料以其卓越的光吸收率和熱導(dǎo)率成為高效光熱轉(zhuǎn)換的理想材料，同時(shí)還表現(xiàn)出良好的機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性，具有廣泛的應(yīng)用潛力。

總之，半導(dǎo)體材料是太陽能界面蒸發(fā)中重要的光熱轉(zhuǎn)換材料。半導(dǎo)體材料具有良好的光學(xué)性能、熱學(xué)性能和電學(xué)性能，可將太陽能高效轉(zhuǎn)換成熱能或電能，實(shí)現(xiàn)水的蒸發(fā)和處理，具有廣闊的應(yīng)用前景。但在使用半導(dǎo)體材料進(jìn)行太陽能界面蒸發(fā)時(shí)，還需考慮材料的制備方法、表面形貌和微結(jié)構(gòu)等因素對其光熱轉(zhuǎn)換性能的影響。

2.2 金屬納米材料

金屬納米材料是一種在太陽能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)中被廣泛應(yīng)用的光熱轉(zhuǎn)換材料。這種材料能夠利用局域表面等離子體共振現(xiàn)象，即當(dāng)金屬納米材料受到太陽光照射時(shí)，金屬表面的自由電子會(huì)被激發(fā)產(chǎn)生振蕩，形成電磁場共振，從而在納米顆粒表面產(chǎn)生強(qiáng)電場，進(jìn)而表現(xiàn)出高吸收率和低反射率的特性，在可見光和近紅外光譜范圍內(nèi)表現(xiàn)得尤為明顯［40-42］。金屬納米材料表面電子的共振使得能量得到局部聚焦，增加了材料的光吸收能力，同時(shí)它的局域化熱效應(yīng)也能夠使得局部溫度升高，加速水的蒸發(fā)。

金屬納米材料在太陽能界面蒸發(fā)中作為光熱轉(zhuǎn)換材料已得到了廣泛研究。金屬納米材料的組成影響其光熱轉(zhuǎn)換性能，常用于太陽能界面蒸發(fā)，包括金［43］、銀［44- 45］、銅［46］等，其光吸收能力受到其大小和形狀的影響。研究表明，較小尺寸的金屬納米顆粒具有更高的光吸收率，因?yàn)樗鼈兊谋缺砻娣e較大，能夠吸收更多的太陽輻射，因此研究人員需對金屬納米材料進(jìn)行精細(xì)的設(shè)計(jì)和制備。不同形狀的金屬納米粒子對太陽輻射的吸收也有差異，例如球形納米粒子［47-48］、納米棒［48-49］和納米線［50- 51］等不同形狀的金屬納米粒子都具有不同的光吸收能力。近年來，一些新型的金屬納米材料也被應(yīng)用于太陽能界面蒸發(fā)中。例如，鋁納米顆粒［50， 52］具有高效光吸收率和導(dǎo)熱率，并具有較低的成本和易于制備的特點(diǎn)，因此在太陽能界面蒸發(fā)中也有很大的應(yīng)用潛力。文獻(xiàn)［52］將鋁納米顆粒自組裝成3D多孔膜，制備了等離子體增強(qiáng)太陽能脫鹽裝置，自然太陽光照條件下光熱利用率可達(dá)88.4%。此外，一些復(fù)合金屬納米材料也被用于太陽能界面蒸發(fā)中，如銀銅復(fù)合納米顆粒［53］、銅鋁氧化物復(fù)合納米顆粒［54］等，這些材料具有更優(yōu)異的光熱性能和穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［53］制備了Ag/CuO復(fù)合光熱材料，表面的三維陣列結(jié)構(gòu)和Ag納米粒子引起的等離子體效應(yīng)使該復(fù)合材料具有較高的光吸收能力，在單太陽光輻照下，其蒸發(fā)速率為1.0976 kg/（m2·h），蒸發(fā)效率可達(dá)78.38%。

總的來說，金屬納米材料具有較優(yōu)異的光熱性能和穩(wěn)定性，可被廣泛應(yīng)用于太陽能界面蒸發(fā)中。通過調(diào)節(jié)納米材料的形狀、大小和分布等特征，可進(jìn)一步提高其光吸收率和導(dǎo)熱率，從而實(shí)現(xiàn)更高效的光熱轉(zhuǎn)換和水的蒸發(fā)。但納米材料的使用也存在一些問題，如金屬氧化物的形成、粒子的凝聚和部分材料的穩(wěn)定性等均需進(jìn)一步探究。

2.3 碳基材料

碳材料是一種熱導(dǎo)率高、吸收光譜范圍廣、化學(xué)穩(wěn)定性好的材料，碳材料在太陽能界面水蒸發(fā)中的光熱轉(zhuǎn)換機(jī)制主要是通過光吸收、熱傳導(dǎo)、光反射和水吸附等過程實(shí)現(xiàn)的，這些過程共同作用，可將太陽能高效地轉(zhuǎn)化為熱能，從而推動(dòng)水的蒸發(fā)。

碳基材料是指以碳為主要元素構(gòu)成的材料，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕等特點(diǎn)。常見的碳基材料包括炭黑和石墨等，但它們在空氣-水界面處的反射值被限制在5%～10%［22］，為突破傳統(tǒng)材料的限制，目前研究者們越來越傾向于采用納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如通過垂直排列碳納米管或制備多孔石墨烯等方法，可有效提高材料的表面積和光吸收率，從而提高其光熱轉(zhuǎn)換效率和水的蒸發(fā)速率。碳納米管［55-59］是一種具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)和性能的碳基材料，其直徑一般在1～100 nm之間，具有高吸收率和低反射率，可有效吸收太陽輻射的能量，并將其轉(zhuǎn)換成熱能。文獻(xiàn)［55］以網(wǎng)狀碳納米管太陽能蒸發(fā)膜設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)的房屋式太陽能蒸餾器，以實(shí)現(xiàn)高光吸收、高效光熱轉(zhuǎn)換和持續(xù)脫鹽，除鹽率高達(dá)99.92%。文獻(xiàn)［56，58］分別設(shè)計(jì)一種氣凝膠和碳納米管組成的新型雙層結(jié)構(gòu)，作為一種高效的自浮式蒸發(fā)器用于太陽能驅(qū)動(dòng)的光熱水凈化，在1 kW/m2太陽輻照度下，蒸發(fā)效率分別達(dá)到89.4%和76.3％，確保了優(yōu)異的熱管理和較高的水分蒸發(fā)速率，通過從實(shí)際海水和模擬廢水中產(chǎn)生清潔水，證明了此結(jié)構(gòu)的高性能水凈化功能。石墨烯［43， 60， 61］是一種由碳原子組成的二維材料，具有大比表面積和良好的導(dǎo)熱性能，是一種理想的光熱轉(zhuǎn)換材料。文獻(xiàn)［43］將金納米顆粒限制在還原氧化石墨烯（rGO）納米片中制備三明治狀納米板太陽能蒸發(fā)器，在經(jīng)過 10 kW/m2太陽輻照度下，光熱利用效率達(dá)到85.2％，并在經(jīng)過30次海水淡化循環(huán)后，轉(zhuǎn)換效率幾乎未發(fā)生下降。目前，碳納米管顆粒的回收和再利用問題仍需進(jìn)一步的關(guān)注。石墨烯的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性在一定程度上限制了太陽能界面蒸發(fā)海水淡化技術(shù)的發(fā)展，其環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)也值得關(guān)注。天然木材［62-63］和蘑菇［64］等具有特殊結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)經(jīng)過簡單炭化處理后可作為碳化材料成為理想的光熱轉(zhuǎn)換材料，但大多數(shù)碳化生物質(zhì)是疏水的，機(jī)械性能較差，因此不適合直接用于太陽能界面蒸發(fā)，因此有必要尋找新的策略來解決這些問題。

碳基材料可作為太陽能界面材料的涂層，增加其表面的吸收能力和穩(wěn)定性。此外，碳基材料還可作為太陽能蒸發(fā)器的加熱元件，通過導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性使太陽能能夠更有效地轉(zhuǎn)化為熱能。隨著碳基材料的研究不斷深入，其在太陽能界面蒸發(fā)海水淡化技術(shù)中的應(yīng)用將會(huì)得到更廣泛推廣和應(yīng)用。

2.4 聚合物材料

有機(jī)聚合物材料是太陽能界面蒸發(fā)中的一種新型光熱轉(zhuǎn)換材料，其具有較高的柔韌性、可塑性和低成本優(yōu)勢；具有較高的光學(xué)透過率，能夠使光線穿過材料進(jìn)入水體，從而提高水的蒸發(fā)速率；具有一定的抗污染和自清潔性能，能夠減少界面材料的附著物和水的表面張力，進(jìn)一步促進(jìn)水的蒸發(fā)。因此，有機(jī)聚合物被廣泛研究和應(yīng)用于太陽能蒸發(fā)和水蒸發(fā)濃縮等領(lǐng)域。許多有機(jī)聚合物具有π共軛體系，通過晶格振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換，當(dāng)光照射到聚合物表面與聚合物分子內(nèi)的電子躍遷相匹配時(shí)，電子會(huì)吸收光子后從基臺(tái)躍遷至高能量軌道，受激發(fā)的電子通過電子-聲子耦合的方式發(fā)生弛豫，從而使得材料表面溫度升高，促使界面水蒸發(fā)的發(fā)生［65-67］。

一些常用的有機(jī)聚合物材料包括聚吡咯（PPy）［66-69］、聚乙烯醇（PVA）［45， 70］、聚多巴胺（PDA）［71-73］、聚丙烯（PP）［71］、聚苯乙烯（PS）［74］、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）［75］等。這些材料在太陽能界面蒸發(fā)中具有廣泛的應(yīng)用前景，可通過調(diào)控其化學(xué)結(jié)構(gòu)、形貌等特征來提高其光熱轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［70］設(shè)計(jì)了一種光熱聚吡咯層包裹在高孔隙率和低導(dǎo)熱的親水聚乙烯醇泡沫上，基于仿生葉片結(jié)構(gòu)的界面太陽能蒸發(fā)器在1 kW/m2太陽輻照度實(shí)現(xiàn)了高達(dá)3.09 kg/（m2·h）的蒸發(fā)速率，在自然陽光下成功對海水進(jìn)行了脫鹽和凈化。文獻(xiàn)［71］制備的PP-PDA/KH550/TiO2-PPy復(fù)合中空纖維膜材料具有不對稱的潤濕性（內(nèi)外水接觸角分別為0°和95°），光熱利用率高達(dá)95%，在1 kW/m2太陽輻照度下具有3.65 kg/（m2·h）的高蒸發(fā)速率和229.13%的高光熱轉(zhuǎn)換效率，且在20t%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的高鹽度條件下也表現(xiàn)出優(yōu)異的耐鹽性。

需要注意的是，部分聚合物材料具有較低的熱穩(wěn)定性和耐久性，因此需進(jìn)行保護(hù)和維護(hù)。為確保聚合物材料的太陽能界面蒸發(fā)系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行，需注意避免強(qiáng)光照射、高溫和化學(xué)腐蝕等不利因素的影響。此外，選擇合適的聚合物材料和光熱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是提高系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性的重要因素。

3 界面蒸發(fā)中熱量管理的研究進(jìn)展

熱量傳遞是實(shí)現(xiàn)水的加熱和蒸發(fā)的關(guān)鍵過程之一，在太陽能界面蒸發(fā)的過程中熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射是主要的熱傳遞機(jī)制。水在太陽能界面蒸發(fā)系統(tǒng)中被吸收，沿著襯底材料中的水通道輸送到蒸發(fā)表面，通過光熱轉(zhuǎn)換將水加熱蒸發(fā)，雖然系統(tǒng)通過不斷供給水來驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)過程，但同時(shí)會(huì)有熱量通過對流、傳導(dǎo)和輻射等方式流失到周圍環(huán)境中。因此，為提高太陽能界面蒸發(fā)系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性，對熱傳遞過程進(jìn)行管理和優(yōu)化設(shè)計(jì)是不可或缺的手段［76］，這可有效抑制表面和3個(gè)通道（傳導(dǎo)、對流、輻射）的熱量損失，使光熱轉(zhuǎn)換更加高效。

3.1 熱傳導(dǎo)

熱傳導(dǎo)是指熱量從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體的過程，在這個(gè)過程中熱量會(huì)沿物質(zhì)內(nèi)部的分子傳遞，從高溫區(qū)流向低溫區(qū)，直到兩個(gè)物體的溫度達(dá)到平衡。在太陽能界面蒸發(fā)過程中，由于液體與界面材料之間的接觸，熱量可通過熱傳導(dǎo)的方式從界面材料傳遞到液體中，熱傳導(dǎo)的速率與材料的導(dǎo)熱系數(shù)、溫度梯度和材料厚度等因素有關(guān)。具有低熱導(dǎo)率的高效絕緣體主要用于避免熱量從水蒸發(fā)界面處擴(kuò)散到未加熱的液體中，如氣凝膠［77- 78］、水凝膠［68， 79］、海綿［43， 80］和泡沫［70， 81］等，將促進(jìn)水蒸氣產(chǎn)生的熱能局域在界面處，夾在光熱轉(zhuǎn)換材料和海水之間的隔熱材料可阻斷向下的熱傳導(dǎo)路徑，從而減少熱傳導(dǎo)損失。文獻(xiàn)［80］設(shè)計(jì)的石墨改性海綿上部具有超高的吸光能力作為光熱轉(zhuǎn)換層，下部在潮濕狀態(tài)下作為低導(dǎo)熱系數(shù)的隔熱保溫材料，在1 kW/m2太陽輻照度下光熱利用效率達(dá)到73.3%。文獻(xiàn)［81］通過可控氣體發(fā)泡技術(shù)成功制造了3D聚合物泡沫界面蒸發(fā)器，導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.19 W/（m·K），在潮濕狀態(tài)下其性能優(yōu)于普通氣凝膠和水凝膠，該3D聚合物泡沫的水分蒸發(fā)速率在1 kW/m2太陽輻照度下高達(dá)2.70 kg/（m2·h）。這項(xiàng)工作足見使用氣體發(fā)泡技術(shù)制造大規(guī)模聚合物泡沫的巨大潛力。避免在界面蒸發(fā)系統(tǒng)中的傳導(dǎo)熱損耗，除了選擇熱絕緣性能優(yōu)異的隔熱材料外，水流通道的設(shè)計(jì)也受到關(guān)注。文獻(xiàn)［64］研究發(fā)現(xiàn)蘑菇的幾何形狀自然地優(yōu)化了熱量損失，蘑菇柄在實(shí)現(xiàn)高效供水的同時(shí)，也將水流限制在一維路徑，蘑菇傘頂與蘑菇柄的直徑之比通常為6∶1，這為蘑菇提供了一種有效的熱濃縮結(jié)構(gòu)，從而使熱傳導(dǎo)損失最小化。同時(shí)，蘑菇傘頂面較大的比表面積很大限度地抑制了輻射和對流的損失。文獻(xiàn)［82］利用可伸縮工藝制造一種可折疊的氧化石墨烯薄膜作為高效的太陽能吸收器、蒸汽通道和熱量絕緣體，證明了利用特殊的2D水流路徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)在太陽能界面蒸發(fā)過程中高效地輸送水分，同時(shí)有效減少熱傳導(dǎo)損失，從而提高蒸發(fā)過程的效率。由此可見，低維水供應(yīng)通道與熱絕緣體的設(shè)計(jì)組合可進(jìn)一步抑制傳導(dǎo)熱損失，提高蒸發(fā)效率。

3.2 熱對流

熱對流是指熱量通過流體內(nèi)部的對流傳遞，其主要是由于流體內(nèi)部的溫度差異造成的，熱對流的速率與流體的流速、溫度差、密度和粘度等因素有關(guān)。在太陽能界面蒸發(fā)過程中，局部水體受熱后會(huì)將熱量傳遞到整個(gè)水體產(chǎn)生熱對流損失，高溫的蒸發(fā)界面與周圍環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生熱對流損失。研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化界面材料的形態(tài)可減少熱對流能量損耗，從而促進(jìn)水的加熱和蒸發(fā)。文獻(xiàn)［83］摒棄傳統(tǒng)的黑體吸收體，以一種具有低熱發(fā)射率的選擇性吸收體取而代之，在減少表面熱損失的情況下，用透明氣泡膜覆蓋吸收體進(jìn)一步減少熱對流損失，這在很大程度上提高了蒸發(fā)效率。對于已具備較好光吸收性能的光熱材料，可通過設(shè)計(jì)在宏觀或微觀尺度上的3D光熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱量的節(jié)約和回收來實(shí)現(xiàn)降低表面熱量的策略。文獻(xiàn)［84］設(shè)計(jì)出以氧化石墨烯和碳納米管為光熱元件的納米碳復(fù)合材料的3D折紙結(jié)構(gòu)太陽能蒸發(fā)器，能夠抑制蒸發(fā)過程中的對流熱損失并有效捕獲光能，其光能吸收效率與表面密度有很強(qiáng)的依賴性。3D折紙結(jié)構(gòu)的獨(dú)特特征為高性能光熱轉(zhuǎn)換器件的發(fā)展提供了新的見解，也為提高光吸收率提供了有效的策略。

3.3 熱輻射

熱輻射是指具有溫度的物體發(fā)射熱量通過空氣傳遞到另一物體的過程，其傳遞過程無需介質(zhì)參與。在太陽能界面蒸發(fā)中，光熱轉(zhuǎn)換材料吸收太陽能后會(huì)產(chǎn)生輻射熱量散失到外部環(huán)境中，熱輻射的速率與物體的表面溫度、表面的發(fā)射率和周圍環(huán)境的溫度等因素有關(guān)。在太陽能界面蒸發(fā)中，從優(yōu)化光熱轉(zhuǎn)換材料的表面特性入手，可通過宏觀或微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)將產(chǎn)生的熱量聚集在蒸發(fā)材料表面，減少熱輻射損失。文獻(xiàn)［85］提出一種新型折紙光熱結(jié)構(gòu)，采用的棉泡管和聚苯乙烯支撐泡沫避免了光熱轉(zhuǎn)換材料與水體的直接接觸，可大大減少熱損失，3D-PPy玫瑰折紙結(jié)構(gòu)導(dǎo)致更多的內(nèi)部光反射，能夠在廣泛的光譜范圍內(nèi)（250～2500 nm）高效地吸收光線，其寬帶光學(xué)吸收率達(dá)到約99%。更重要的是，其設(shè)計(jì)的宏觀三維材料表面可進(jìn)行熱輻射損失管理，3D-PPy折紙玫瑰狀結(jié)構(gòu)與錐形結(jié)構(gòu)類似，能夠捕捉入射光，增加實(shí)際曝光面積，降低表面溫度，減少輻射熱量向周圍環(huán)境的散失。文獻(xiàn)［86］提出復(fù)合金屬氧化物的3D圓柱形杯狀結(jié)構(gòu)作為太陽能蒸發(fā)器，與表面熱量自由散失的2D平面結(jié)構(gòu)相比，3D結(jié)構(gòu)的杯狀側(cè)壁能限制并回收2D杯底的漫反射和熱輻射損失，在單次太陽光照下的光熱利用效率接近100%。折紙方法在微觀尺度上同樣有效，文獻(xiàn)［84］首次報(bào)道了一種可展開的三維折紙?zhí)柲苷舭l(fā)器，能夠充分利用太陽能，通過增加微折紙結(jié)構(gòu)交互面積和投影面積的比率來增加光吸收，并通過其周期性的凹形結(jié)構(gòu)有效回收輻射熱和對流熱損失。文獻(xiàn)［87］提出了垂直有序的石墨烯組裝框架柱陣列的三維水蒸發(fā)材料，該陣列具有更大的蒸發(fā)面積和額外的快速蒸發(fā)空間，可快速釋放蒸汽，柱陣列之間的對流熱和輻射熱在結(jié)構(gòu)內(nèi)相互吸收和熱局域化，而不是流失到環(huán)境中，有效控制了熱損失。由此可見，從材料設(shè)計(jì)入手，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將產(chǎn)生的熱量停留在蒸發(fā)表面，抑制了蒸發(fā)界面處由于溫度升高后向低溫的外界環(huán)境通過熱輻射和熱對流途徑散失熱量，實(shí)現(xiàn)熱損失最小化，這對于實(shí)現(xiàn)高表面溫度和快速蒸發(fā)十分有效。

4 結(jié)論與展望

在太陽能界面蒸發(fā)的光熱轉(zhuǎn)換材料領(lǐng)域，本文總結(jié)闡述了多種蒸發(fā)速率不同的光熱轉(zhuǎn)換材料，雖然目前尚無哪種類型的材料可以成功地在實(shí)際工程中大規(guī)模使用，但部分材料已經(jīng)具有較高的光熱轉(zhuǎn)換效率和在惡劣條件下規(guī)模應(yīng)用的潛力?；诨旌系墓鉄徂D(zhuǎn)換材料，即金屬納米材料、半導(dǎo)體材料、碳材料、有機(jī)聚合物材料4種材料中兩種或兩種以上形成的復(fù)合材料，由于協(xié)同效應(yīng)可獲得更高的蒸發(fā)速率，愈發(fā)受到研究人員的青睞。太陽能界面蒸發(fā)過程中的熱量管理亦不可忽視，如熱絕緣體特性對蒸發(fā)速率有直接的影響，它們直接影響了光熱蒸發(fā)體表面的熱局部化。因此，高效光吸收體和熱絕緣體的良好結(jié)合是制造高效太陽能界面蒸發(fā)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

盡管近年來界面太陽能光熱海水淡化技術(shù)發(fā)展迅速，研究人員在各方面進(jìn)行系統(tǒng)的研究，通過對材料的開發(fā)和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，顯著提高了蒸發(fā)效率，但目前仍存在以下技術(shù)難題：

1）氣候、環(huán)境變化對界面蒸發(fā)系統(tǒng)影響較大。目前較高效率的界面蒸發(fā)系統(tǒng)通常是采用太陽光照模擬器，對于太陽能界面蒸發(fā)海水淡化技術(shù)的研究尚停留在實(shí)驗(yàn)室階段，而室外自然條件下依賴太陽光提供的熱量，陰雨天氣和夜間不能保證穩(wěn)定光照，實(shí)際工程運(yùn)行中的環(huán)境變化波動(dòng)大，仍面臨重大考驗(yàn)。

2）鹽濃縮、膜污染問題。在蒸發(fā)海水的過程中，海水中的鹽分會(huì)在界面蒸發(fā)材料的表面和內(nèi)部逐漸濃縮、沉積，一些膜材料表面還易有微生物附著生長的情況發(fā)生，如果不能有效控制并及時(shí)處理，將會(huì)降低蒸發(fā)系統(tǒng)的傳質(zhì)性能和收集淡水效率。

3）淡水收集效率低問題。目前對界面蒸發(fā)系統(tǒng)海水淡化技術(shù)的研究通常側(cè)重于光熱轉(zhuǎn)換材料與蒸發(fā)部分，而對冷凝集水部分的研究易被忽視，水蒸氣冷凝時(shí)造成光線損失以及冷凝后的淡水受光照和溫度影響易再次發(fā)生汽化等問題都值得被重視。

總之，太陽能界面蒸發(fā)海水淡化技術(shù)目前存在的技術(shù)難題需要不斷進(jìn)行研究和創(chuàng)新，以提高技術(shù)的效率和可行性，實(shí)現(xiàn)海水淡化的可持續(xù)發(fā)展。界面蒸發(fā)制造工藝可擴(kuò)展、原料豐富、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，為太陽能海水淡化提供了潛在的應(yīng)用前景，為其在海水淡化中的實(shí)際應(yīng)用開辟了一條廣闊的道路。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ ELIASSON J. The rising pressure of global water shortages［J］. Nature， 2015， 517（7532）： 6.

［2］ DOORNBUSCH G， van der WAL M， TEDESCO M， et al. Multistage electrodialysis for desalination of natural seawater［J］. Desalination， 2021， 505： 114973.

［3］ LIN S S， ZHAO H Y， ZHU L P， et al. Seawater desalination technology and engineering in China： a review［J］. Desalination， 2021， 498： 114728.

［4］ LYU J， CHEN Z L， TANG J， et al. Study on the superhydrophilic modification and enhanced corrosion resistance method of aluminum alloy distillation desalination" tubes［J］. Surface" and" coatings" technology， 2022， 446： 128770.

［5］ 孔慧， 楊錦蕊， 陳靖， 等. 太陽能熱法海水淡化發(fā)展的關(guān)鍵路徑［J］. 太陽能學(xué)報(bào)， 2023， 44（4）： 479-486.

KONG H， YANG J R， CHEN J， et al. Critical path for development" of" solar" thermal" seawater" "desalination［J］. Acta energiae solaris sinica， 2023， 44（4）： 479-486.

［6］ 葉鴻烈， 鄭彥捷， 趙云勝， 等. 太陽能海水淡化技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性模型與影響因素分析［J］. 太陽能學(xué)報(bào)， 2019， 40（5）： 1225-1231.

YE H L， ZHENG Y J， ZHAO Y S， et al. Research on economic model and influencing factors of solar desalination technology［J］. Acta energiae solaris sinica， 2019， 40（5）： 1225-1231.

［7］ 王剛， 董博祎， 姜鐵騮， 等. S-CO2布雷頓循環(huán)太陽能電力淡水系統(tǒng)（）分析［J］. 太陽能學(xué)報(bào)， 2022， 43（7）： 197-202.

WANG G， DONG B Y， JIANG T L， et al. Exergy analysis of S-CO2 brayton cycle solar system for electricity and fresh water productions［J］. Acta energiae solaris sinica， 2022， 43（7）： 197-202.

［8］ GHASEMI H， NI G， MARCONNET A M， et al. Solar steam" " "generation" " by" " "heat" " localization［J］." " Nature communications， 2014， 5： 4449.

［9］ CHEN C J， KUANG Y D， HU L B. Challenges and opportunities for solar evaporation［J］. Joule， 2019， 3（3）： 683-718.

［10］ SHI L， WANG X Z， HU Y W， et al. Solar-thermal conversion and steam generation： a review［J］. Applied thermal engineering， 2020，179： 115691.

［11］ PAN C， YANG Y W， XIE M Z， et al. Optimization of evaporation and condensation architectures for solar-driven interfacial evaporation desalination［J］. Membranes， 2022， 12（9）： 899.

［12］ KARAMI S， ROGHABADI F A， MALEKI M， et al. Materials and structures engineering of sun-light absorbers for efficient direct solar steam generation［J］. Solar energy， 2021， 225： 747-772.

［13］ HUANG Q C， LIANG X C， YAN C Y， et al. Review of interface solar-driven steam generation systems： high-efficiency" " strategies，" "applications" "and" "challenges［J］. Applied energy， 2021， 283： 116361.

［14］ DJELLABI R， NOUREEN L， DAO V， et al. Recent advances and challenges of emerging solar-driven steam and" the" contribution of photocatalytic effect［J］. Chemical engineering journal， 2022， 431： 1340241.

［15］ GEISE G M， LEE H S， MILLER D J， et al. Water purification by membranes： the role of polymer science［J］. Journal of polymer science part B： polymer physics， 2010， 48（15）： 1685-1718.

［16］ GUEYMARD C A. The sun’s total and spectral irradiance for solar energy applications and solar radiation models［J］. Solar energy， 2004， 76（4）： 423-453.

［17］ 李欣遠(yuǎn)， 紀(jì)穆為， 王虹智， 等. 近紅外光熱轉(zhuǎn)換納米晶研究進(jìn)展［J］. 中國光學(xué)， 2017， 10（5）： 541-554.

LI X Y， JI M W， WANG H Z， et al. Research progress of near-infrared" "photothermal" "conversion" "nanocrystals［J］. Chinese optics， 2017， 10（5）： 541-554， 701.

［18］ ZHU G L， XU J J， ZHAO W L， et al. Constructing black titania with unique nanocage structure for solar desalination［J］. ACS applied materials amp; interfaces， 2016， 8（46）： 31716-31721.

［19］ AZIZNEZHAD M， GOHARSHADI E， NAMAYANDEH- JORABCHI M. Surfactant-mediated prepared VO2 （M） nanoparticles for efficient solar steam generation［J］. Solar energy materials and solar cells， 2020， 211： 110515.

［20］ CHEN C L， ZHOU L， YU J Y， et al. Dual functional asymmetric plasmonic structures for solar water purification" and" "pollution" "detection［J］." Nano" "energy， 2018， 51： 451-456.

［21］ MENG F L， GAO M M， DING T P， et al. Modular deformable steam electricity cogeneration system with photothermal， water， and electrochemical tunable multilayers［J］. Advanced functional materials， 2020， 30（32）： 2002867.

［22］ ZHANG Q， XU W L， WANG X B. Carbon nanocomposites with high photothermal conversion efficiency［J］. Science China materials， 2018， 61（7）： 905-914.

［23］ WANG T Y， HUANG H B， LI H L， et al. Carbon materials for solar-powered seawater desalination［J］. New carbon materials， 2021，36（4）： 683-701.

［24］ 朱盟盟. 碳基太陽能吸收材料的制備及其光熱性能研究［D］. 青島：青島科技大學(xué)， 2018.

ZHU M M. Preparation and photothermal properties of carbon-based solar absorption materials［D］. Qingdao： Qingdao University of Science amp; Technology， 2018.

［25］ CHEN Q M， PEI Z Q， XU Y S， et al. A durable monolithic polymer foam for efficient solar steam generation［J］. Chemical science， 2017， 9（3）： 623-628.

［26］ ZOU Y， YANG P， YANG L， et al. Boosting solar steam generation by photothermal enhanced polydopamine/ wood composites［J］. Polymer， 2021， 217： 123464.

［27］ UMLAUFF M， HOFFMANN J， KALT H， et al. Direct observation of free-exciton thermalization in quantum-well structures［J］. Physical review B， 1998， 57（3）： 1390-1393.

［28］ OU G， LI Z W， LI D K， et al. Photothermal therapy by using titanium oxide nanoparticles［J］. Nano research， 2016， 9（5）： 1236-1243.

［29］ ASAHI R， MORIKAWA T， OHWAKI T， et al. Visible-light photocatalysis in nitrogen-doped titanium oxides［J］. Science， 2001， 293（5528）： 269-271.

［30］ CHEN X B， LIU L， HUANG F Q. Black titanium dioxide （TiO2）" "nanomaterials［J］." "Chemicnterfaces，" "2016，" "8（46）： 31716-31721.

［31］ CHANG Y H， WANG Z G， SHI Y， et al. Hydrophobic W18O49 mesocrystal on hydrophilic PTFE membrane as an efficient solar steam generation device under one sun［J］. Journal of materials chemistry A， 2018， 6（23）： 10939-10946.

［32］ SHANG M Y， LI N， ZHANG S D， et al. Full-spectrum solar-to-heat conversion membrane with interfacial plasmonic heating ability for high-efficiency desalination of seawater［J］. ACS applied energy materials， 2018， 1（1）： 56-61.

［33］ WANG J， LI Y Y， DENG L， et al. High-performance photothermal conversion of narrow-bandgap Ti2O3 nanoparticles［J］. Advanced materials， 2017， 29（3）： 1603730.

［34］ LIU H W， CHEN C J， WEN H， et al. Narrow bandgap semiconductor decorated wood membrane for high-efficiency solar-assisted water purification［J］. Journal of materials chemistry A， 2018，6（39）： 18839-18846.

［35］ LI R Y， ZHANG L B， SHI L， et al. MXene Ti3C2： an effective 2D light-to-heat conversion material［J］. ACS nano， 2017， 11（4）： 3752-3759.

［36］ YANG X D， YANG Y B， FU L N， et al. An ultrathin flexible 2D membrane based on single-walled nanotube-MoS2" "hybrid" "film" "for" "high-performance" "solar" "steam generation［J］. Advanced functional materials， 2018， 28（3）： 1704505.

［37］ 萬武波， 紀(jì)冉， 何鋒. 石墨烯基分離膜研究進(jìn)展［J］. 化學(xué)進(jìn)展， 2017， 29（8）： 833-845.

WAN W B， JI R， HE F. Recent advances in graphene based separation membranes［J］. Progress in chemistry， 2017， 29（8）： 833-845.

［38］ FAN X Q， YANG Y， SHI X L， et al. A MXene-based hierarchical design enabling highly efficient and stable solar-water" "desalination" "with" "good" "salt" "resistance［J］. Advanced functional materials， 2020， 30（52）： 2007110.

［39］ CHEN W S， OUYANG J， LIU H， et al. Black phosphorus nanosheet-based drug delivery system for synergistic photodynamic/photothermal/chemotherapy" "of" "cancer［J］. Advanced materials， 2017， 29（5）： 1603864

［40］ BOYER D， TAMARAT P， MAALI A， et al. Photothermal imaging" "of" "nanometer-sized" " metal" " particles" " among scatterers［J］. Science， 2002，297（5584）： 1160-1163.

［41］ BOYER D， TAMARAT P， MAALI A， et al. Imaging single metal nanoparticles in scattering media by photothermal" interference" contrast［J］." Physica" E：" low-dimensional systems and nanostructures， 2003， 17（1-4）： 537-540.

［42］ LIU G H， XU J L， CHEN T， et al. Progress in thermoplasmonics for solar energy applications［J］. Physics reports， 2022， 981： 1-50.

［43］ ZHU H W， GE J， ZHAO H Y， et al. Sponge-templating synthesis of sandwich-like reduced graphene oxide nanoplates with confined gold nanoparticles and their enhanced stability for solar evaporation［J］. Science China materials， 2020， 63（10）： 1957-1965.

［44］ CAO H X， GUI T L， WANG W Y， et al. Green-synthesizing Ag nanoparticles by watermelon peel extract and their application in solar-driven interfacial evaporation for seawater desalination［J］. Materials research express， 2020， 7（4）： 045005.

［45］ 楊兆華， 成鴻靜， 楊弋， 等． 聚乙烯醇載銀海綿的制備及界面光熱驅(qū)動(dòng)水蒸發(fā)性能［J］. 高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào)， 2022， 43（10）： 267-273.

YANG Z H， CHENG H J， YANG Y， et al. Preparation of silver-loaded polyvinyl alcohol sponge and its interfacial photothermal" driven" water" evaporation" performance［J］. Chemical journal of chinese universities， 2022， 43（10）： 267-273.

［46］ 滿石清， 肖桂娜. 帽狀銅納米粒子的制備及表面增強(qiáng)拉曼散射活性研究［J］. 無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)， 2009， 25（7）： 1279-1283.

MAN S Q， XIAO G N. Preparation and surface-enhanced Raman scattering activities of cap-shaped copper nanoparticles［J］. Chinese journal of inorganic chemistry， 2009， 25（7）： 1279-1283.

［47］ ZHANG D F， ZHANG Y H， GUO L， et al. Synthesis of α-ZnS nanoparticles and their photoluminescence and Raman properties［J］. Acta physico-chimica sinica， 2007，23（12）： 1985-1988.

［48］ 楊鳳珠， 徐敏敏， 袁亞仙， 等. 離子液體中銅納米粒子膜的電沉積制備及表面增強(qiáng)拉曼光譜［J］. 高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)， 2012， 33（9）： 2047-2050.

YANG F Z， XU M M， YUAN Y X， et al. Electrodeposition of Cu nanoparticles layers in ionic liquid and surface enhanced Raman spectroscopic properties［J］. Chemical journal of Chinese universities， 2012， 33（9）： 2047-2050.

［49］ LI Z K， ZHENG M， WEI N， et al. Broadband-absorbing WO3-x nanorod-decorated wood evaporator for highly efficient solar-driven interfacial steam generation［J］. Solar energy materials and solar cells， 2020， 205： 110254.

［50］ ZHANG X F， NIU S P， DENG Z Q， et al. Preparation of Al2O3 nanowires on 7YSZ thermal barrier coatings against CMAS corrosion［J］. Transactions of Nonferrous Metals Society of China， 2019， 29（11）： 2362-2370.

［51］ CHEN C J， LIU H Y， WANG H T， et al. A scalable broadband plasmonic cuprous telluride nanowire-based hybrid photothermal membrane for efficient solar vapor generation［J］. Nano energy， 2021， 84： 105868.

［52］ ZHOU L， TAN Y L， WANG J Y， et al. 3D self-assembly of aluminium nanoparticles for plasmon-enhanced solar desalination［J］." "Nature" "photonics，" "2016，" "10（6）： 393-398.

［53］ LI Z T， WANG C B. Multi-scale Ag/CuO photothermal materials： preparation and application in seawater desalination［J］. Chinese journal of inorganic chemistry， 2020， 36（8）： 1457-1464.

［54］ HAMDAN M A， AL MOMANI A M， AYADI O， et al. Enhancement of solar water desalination using copper and aluminum oxide nanoparticles［J］. Water， 2021， 13（14）： 1914.

［55］ XIONG H， XIE X W， WANG M， et al. CVD grown carbon nanotubes on reticulated skeleton for brine desalination［J］. Acta physico-chimica sinica， 2020， 36（9）： 1912008.

［56］ JIANG F， LIU H， LI Y J， et al. Lightweight， mesoporous， and highly absorptive all-nanofiber aerogel for" "efficient" "solar" steam" "generation［J］." ACS" "applied materials amp; interfaces， 2018， 10（1）： 1104-1112.

［57］ WANG Y C， ZHANG L B， WANG P. Self-floating carbon nanotube membrane on macroporous silica substrate for highly efficient solar-driven interfacial water evaporation［J］. ACS sustainable chemistry amp; engineering， 2016， 4（3）： 1223-1230.

［58］ QIN D D， ZHU Y J， CHEN F F， et al. Self-floating aerogel composed of carbon nanotubes and ultralong hydroxyapatite nanowires for highly efficient solar energy-assisted" "water" "purification［J］." "Carbon，" "2019，" "150： 233-243.

［59］ 宗美林， 葉曉江， 常懷鐘， 等. 水基碳納米管納米流體在室外自然條件下的光熱性能研究［J］. 太陽能學(xué)報(bào)， 2020， 41（5）： 48-53.

ZONG M L， YE X J， CHANG H Z， et al. Study on photo-thermal conversion characteristics of water-based carbon nanotubes in outdoor natural condition［J］. Acta energiae solaris sinica， 2020， 41（5）： 48-53.

［60］ ZHANG P P， XU Q， LIAO Q H， et al. Interface-enhanced distillation beyond tradition based on well-arranged graphene membrane［J］. Science China materials， 2020， 63（10）： 1948-1956.

［61］ LIM D K， BARHOUMI A， WYLIE R G， et al. Enhanced photothermal effect of plasmonic nanoparticles coated with reduced graphene oxide［J］. Nano letters， 2013， 13（9）： 4075-4079.

［62］ ZHU M W， LI Y J， CHEN G， et al. Tree-inspired design for high-efficiency water extraction［J］. Advanced materials， 2017， 29（44）： 1704107.

［63］ QIU P X， LIU F L， XU C M， et al. Porous three-dimensional carbon foams with interconnected microchannels for high-efficiency solar-to-vapor conversion and desalination［J］. Journal of materials chemistry A， 2019， 7（21）： 13036-13042.

［64］ XU N， HU X Z， XU W C， et al. Mushrooms as efficient solar steam-generation devices［J］. Advanced materials， 2017， 29（28）： 1606762.

［65］ SONG C Y， HAO L， ZHANG B Y， et al. High-performance solar vapor generation of Ni/carbon nanomaterials by controlled carbonization of waste polypropylene［J］. Science China materials， 2020，63（5）： 779-793.

［66］ HUANG X Y， YU Y H， de LLERGO O L， et al. Facile polypyrrole thin film coating on polypropylene membrane for efficient solar-driven interfacial water evaporation［J］. RSC advances， 2017，7（16）： 9495-9499.

［67］ ZHANG L B， TANG B， WU J B， et al. Hydrophobic light-to-heat conversion membranes with self-healing ability for interfacial solar heating［J］. Advanced materials， 2015， 27（33）： 4889-4894.

［68］ WU Y Z， SHEN L， ZHANG C X， et al. Polyacid doping-enabled efficient solar evaporation of polypyrrole hydrogel［J］. Desalination， 2021， 505： 114766.

［69］ LIU F， LIANG W D， WANG C J， et al. Superwetting monolithic hypercrosslinked polymers nanotubes with high salt-resistance for efficient solar steam generation［J］. Solar energy materials and solar cells， 2021， 221： 110913.

［70］ LI Y R， JIN X， LI W， et al. Biomimetic hydrophilic foam with micro/nano-scale porous hydrophobic surface for highly efficient solar-driven vapor generation［J］. Science China materials， 2022， 65（4）： 1057-1067.

［71］ WEI C J， ZHANG X H， MA S Y， et al. Ultra-robust vertically aligned three-dimensional （3D） Janus hollow fiber membranes for interfacial solar-driven steam generation with salt-resistant and multi-media purification［J］. Chemical engineering journal， 2021， 425： 130118.

［72］ GHIM D， WU X H， SUAZO M， et al. Achieving maximum recovery of latent heat in photothermally driven multi-layer stacked membrane distillation［J］. Nano energy， 2021， 80： 105444.

［73］ ZHANG C， OU Y， LEI W X， et al. CuSO4/H2O2-induced rapid deposition of polydopamine coatings with high uniformity and enhanced stability［J］. Angewandte Chemie International Edition， 2016， 55（9）： 3054-3057.

［74］ GUO M X， WU J B， LI F H， et al. A low-cost lotus leaf-based carbon film for solar-driven steam generation［J］. New carbon materials， 2020， 35（4）： 436-443.

［75］ JIANG C J， DUAN Z W， ZHANG Z Z， et al. Effect of surfactants on dispersing properties in alcohol solvent for silver" " nanopowders［J］." " Rare" " metal" " materials" " and engineering， 2007， 36（4）： 724-727.

［76］ ZENG Y， YAO J F， HORRI B A， et al. Solar evaporation enhancement using floating light-absorbing magnetic particles［J］. Energy amp; environmental science， 2011， 4（10）： 4074-4078.

［77］ SHAO Z D， ZHANG Y， CHENG X. Advances in mechanically enhanced silica aerogel monoliths as thermal insulating materials［J］. Progress in chemistry， 2014， 26（8）： 1329-1338.

［78］ PENG F， JIANG Y G， FENG J， et al. Research progress on alumina aerogel composites for high-temperature thermal insulation［J］. Journal of inorganic materials， 2021， 36（7）： 673-684.

［79］ QI C S， LUO C， TAO Y， et al. Capillary shrinkage of graphene oxide hydrogels［J］. Science China materials， 2020， 63（10）： 1870-1877.

［80］ ZHANG Z， MU P， HE J X， et al. Facile and scalable fabrication of surface-modified sponge for efficient solar steam generation［J］. ChemSusChem， 2019， 12（2）： 426-433.

［81］ QIAO L F， LI N， LUO L， et al. Design of monolithic closed-cell polymer foams via controlled gas-foaming for high-performance solar-driven interfacial evaporation［J］. Journal of materials chemistry A， 2021，9（15）： 9692-9705.

［82］ LI X Q， XU W C， TANG M Y， et al. Graphene oxide-based efficient and scalable solar desalination under one sun with a confined 2D water path［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 2016， 113（49）： 13953-13958.

［83］ NI G， LI G， BORISKINA S V， et al. Steam generation under one sun enabled by a floating structure with thermal concentration［J］. Nature energy， 2016， 1（9）： 16126.

［84］ HONG S， SHI Y， LI R Y， et al. Nature-inspired， 3D origami solar steam generator toward near full utilization of solar energy［J］. ACS applied materials amp; interfaces， 2018，10（34）： 28517-28524.

［85］ LI W G， LI Z， BERTELSMANN K， et al. Portable low-pressure solar steaming-collection unisystem with polypyrrole origamis［J］. Advanced materials， 2019， 31（29）： e1900720.

［86］ SHI Y， LI R Y， JIN Y， et al. A 3D photothermal structure toward improved energy efficiency in solar steam generation［J］. Joule， 2018， 2（6）： 1171-1186.

［87］ ZHANG P P， LIAO Q H， YAO H Z， et al. Three-dimensional water evaporation on a macroporous vertically aligned graphene pillar array under one sun［J］. Journal of materials chemistry A， 2018， 6（31）： 15303-15309.

RESEARCH PROGRESS OF SOLAR-DRIVEN INTERFACE

EVAPORATION FOR SEAWATER DESALINATION

Sun Mengxi，Chen Zhili，Chen Li，Tang Shan，Li Guangxue

（School of Environmental Science and Engineering， Guilin University of Technology， Guilin 541004， China）

Abstract：Solar interface evaporation is a process of converting solar energy into heat energy and using materials with photothermal conversion properties to locally heat water at the interface to promote evaporation， which has broad application prospects in the field of seawater desalination. To gain a deeper understanding of the development and application of solar interface evaporation seawater desalination technology， this paper introduces the research progress of solar interface evaporation from the perspectives of light absorption and thermal management， and discusses the development direction and application prospects of interface evaporation seawater desalination technology. The paper summarizes the influence of different categories and structures of photothermal conversion materials on solar conversion efficiency， and summarizes the influence of different forms of heat loss on interface evaporation rate. The challenges and future development of solar interface evaporation seawater desalination technology are discussed， with the aim of providing reference for the practical application of subsequent seawater desalination technology.

Keywords：solar energy； seawater desalination； interface evaporation； photothermal conversion materials； thermal management