太阳能界面蒸发技术凭借高能量效率、低碳排放量、低成本、无二次污染等优点被广泛应用于海水淡化、污水处理、燃料生产等能源环境领域。在蒸发过程中，传统太阳能界面蒸发结构通常借助自身的毛细力实现连续供水，往往会导致蒸发器骨架上出现较厚的水层。随着水层厚度的增加，水蒸气的溢出阻力和蒸发器的寄生热损失也会增加，蒸发器的蒸发速率随之下降；当水层的厚度减小时，蒸发器将因水传输速率较低而表现出低蒸发速率。因此，调控蒸发器的水传输速率，进而平衡蒸发界面的水-热输运效率，有望大幅度提高蒸发性能。
为实现上述目标，浙江大学成少安教授团队首次报道了一种微纳水膜强化的太阳能界面蒸发结构，并通过调节微纳水膜的厚度，在 1 sun下实现了约2.18 kg m-2 h-1的高蒸发速率（二维蒸发结构）。同时，提出了太阳能界面蒸发结构的设计理念，即“热-质平衡”。
图1 微纳水膜调控与热-质平衡的设计思想
此外，针对太阳能界面蒸发器的低户外产水性能，该工作设计了一种可强化冷凝的户外产水装置，并通过COMSOL模拟优化了冷凝温度、换气速率及运行时间等运行参数。在连续40天的户外实验中，该装置表现出了15.9 ~ 19.4 kg kW-1 h-1 m-2的高产水率。在户外实验的基础上，该工作通过人工神经网络首次构建了包含光强、温度和湿度在内的多目标户外产水性能预测模型。据预测，蒸发面积为1 m2的户外装置每天可产水2.7 ~ 7.8 kg。
图2 户外产水性能及预测模型
综上，这项工作为高蒸发性能的太阳能界面蒸发结构的设计提供了新思路，对固-液界面的微尺度传热传质问题的研究也具有重要意义。
该工作近期以 “Micro-Nano Water Film Enabled High-Performance Interfacial Solar Evaporation”为题发表在中国科技卓越期刊Nano Micro Letter(IF=26.6)上。本文第一作者于桢现为天津大学环境科学与工程学院助理研究员，是德国洪堡学者基金获得者，曾以第一作者或共同一作在Nature Climate Change, Nano-Mirco Letter, Advanced Functional Materials, Nano Energy等高水平SCI期刊上发表论文十余篇，本研究得到国家自然科学基金与国家重点研发计划的支持。
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来源：高分子科学前沿
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