哈工大能源科学与工程学院帅永教授团队综述文章对仿生太阳能水蒸发器发展与未来进行展望

　　近日，哈尔滨工业大学能源科学与工程学院帅永教授、王兆龙教授团队对受自然启发的太阳能蒸发器设计原理和最新进展进行综述，在全面总结高效太阳能仿生蒸发原理、关键器件最新成果基础上为该领域未来发展进行展望。相关成果以《仿生太阳能水蒸发的进展与挑战》(Recent Advances and Challenges for Bionic Solar Water Evaporation)为题发表在《今日材料》(Materials Today)期刊(2024年影响因子21.1，5年影响因子25.3)上。
 

　　太阳能作为一种丰富的可再生资源，越来越受到人们的重视。受植物自然蒸腾过程的启发，仿生结构的太阳能水蒸发因其能耗低、效率高、对环境影响小等优点在近20年来受到越来越多的关注。与植物蒸腾过程类似，典型的太阳能水蒸发过程包括液体输送、太阳能收集和蒸汽产生，即水通过微通道输送，太阳能吸收器可以将太阳能转化为热能，实现高效的太阳能收集。由于吸收器顶部表面的高温，水将被加热成蒸汽，然后作为淡水收集。有趣的是，受自然启发的仿生结构，如根、叶和花，可以获得惊人的蒸发能力，因此对仿生蒸发系统的研究越来越多(图1)。
 

　　作者在这篇综述中系统地总结了自然启发的太阳能蒸发器的设计原理和最新进展(图2)，归纳了碳质材料、金属、半导体和聚合物等具有高吸收效率的太阳能吸收材料。基于上述光热材料，仿生结构被设计成模仿根、茎和叶。复杂的结构不仅可以促进吸收器内部的水分输送，还可以加速太阳能水的蒸发过程，从而导致高蒸发速率。这篇综述还介绍了近年来在海水淡化、水净化、发电、蒸发冷却、光催化降解等方面的应用。
 

　　文章对未来的发展方向提出了几点展望。(1)尽管在实验室中实现了极高的蒸发率(超过1.47 kg m-2 h-1)和能量转换效率(超过90%)，但在自然阳光照射下进行的室外淡水生产试验仍需取得进展。(2)大多数蒸发器只能连续工作几个小时或几天，在商业化之前，蒸发系统的稳定性和耐用性需要进一步的系统开发。(3)还迫切需要有效的冷凝水和收集策略，以高效地收集和储存产生的蒸汽。(4)需要进一步开发杀菌、催化、发电等多功能一体化蒸发器，更有效地利用太阳能，满足不同功能的各种要求。
 

　　哈工大为该论文第一单位和唯一通讯单位，能源科学与工程学院帅永教授和王兆龙教授为论文共同通讯作者，2024级博士研究生李银峰参与文章撰写。该研究获国家自然科学基金等支持。哈工大全媒体(刘培香 孙璐 文/图)
 

图1.仿生太阳能蒸发器技术的历史发展过程
 

图2.各种材料、仿生结构和应用前景的蒸发系统示意图