【儀表網 研發快訊】近日，哈爾濱工業大學能源科學與工程學院帥永教授、王兆龍教授團隊對受自然啟發的太陽能蒸發器設計原理和最新進展進行綜述，在全面總結高效太陽能仿生蒸發原理、關鍵器件最新成果基礎上為該領域未來發展進行展望。相關成果以《仿生太陽能水蒸發的進展與挑戰》(Recent Advances and Challenges for Bionic Solar Water Evaporation)為題發表在《今日材料》(Materials Today)期刊(2024年影響因子21.1，5年影響因子25.3)上。
太陽能作為一種豐富的可再生資源，越來越受到人們的重視。受植物自然蒸騰過程的啟發，仿生結構的太陽能水蒸發因其能耗低、效率高、對環境影響小等優點在近20年來受到越來越多的關注。與植物蒸騰過程類似，典型的太陽能水蒸發過程包括液體輸送、太陽能收集和蒸汽產生，即水通過微通道輸送，太陽能吸收器可以將太陽能轉化為熱能，實現高效的太陽能收集。由于吸收器頂部表面的高溫，水將被加熱成蒸汽，然后作為淡水收集。有趣的是，受自然啟發的仿生結構，如根、葉和花，可以獲得驚人的蒸發能力，因此對仿生蒸發系統的研究越來越多(圖1)。
作者在這篇綜述中系統地總結了自然啟發的太陽能蒸發器的設計原理和最新進展(圖2)，歸納了碳質材料、金屬、半導體和聚合物等具有高吸收效率的太陽能吸收材料。基于上述光熱材料，仿生結構被設計成模仿根、莖和葉。復雜的結構不僅可以促進吸收器內部的水分輸送，還可以加速太陽能水的蒸發過程，從而導致高蒸發速率。這篇綜述還介紹了近年來在海水淡化、水凈化、發電、蒸發冷卻、光催化降解等方面的應用。
文章對未來的發展方向提出了幾點展望。(1)盡管在實驗室中實現了極高的蒸發率(超過1.47 kg m-2 h-1)和能量轉換效率(超過90%)，但在自然陽光照射下進行的室外淡水生產試驗仍需取得進展。(2)大多數蒸發器只能連續工作幾個小時或幾天，在商業化之前，蒸發系統的穩定性和耐用性需要進一步的系統開發。(3)還迫切需要有效的冷凝水和收集策略，以高效地收集和儲存產生的蒸汽。(4)需要進一步開發殺菌、催化、發電等多功能一體化蒸發器，更有效地利用太陽能，滿足不同功能的各種要求。
哈工大為該論文第一單位和唯一通訊單位，能源科學與工程學院帥永教授和王兆龍教授為論文共同通訊作者，2024級博士研究生李銀峰參與文章撰寫。該研究獲國家自然科學基金等支持。哈工大全媒體(劉培香 孫璐 文/圖)
圖1.仿生太陽能蒸發器技術的歷史發展過程
圖2.各種材料、仿生結構和應用前景的蒸發系統示意圖
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