Nature Water | 大佬共话光热界面蒸发 | 领域最前沿的观点
Nature Water | 大佬共话光热界面蒸发 | 领域最前沿的观点
随着全球水资源短缺和能源危机的加剧，太阳能蒸发技术因其清洁、可再生的特点，已成为应对这一挑战的重要解决方案。本文邀请了多位领域内的专家，从系统集成、材料科学、植物启发设计、矿物回收、规模化应用等多个角度，分享了他们对光热界面蒸发技术的最新见解和未来展望。
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尽管在基础理解和技术应用方面取得了重大进展，但要充分利用太阳能来应对水、能源和资源挑战，仍有许多工作要做。我们请该领域的专家分享他们对推动太阳能技术更好地满足社会日益增长的用水需求和实现水相关领域可持续发展的机遇和挑战的见解。
文章解析
Ghim Wei Ho：推进太阳能技术的系统集成
二氧化碳排放和化石燃料使用造成的持续污染对环境的不利影响正在加剧对清洁能源、废物修复和回收方面可持续技术的需求。太阳能蒸发和相关技术作为清洁和可再生技术，已被广泛采用，以应对紧迫的能源危机和环境挑战。与通常需要大规模设施、高能源投入并产生二次污染的传统水和能源系统不同，太阳能蒸发提供了一种变革性的方法，可以重新定义农村和服务不足地区的水和能源可及性，并具有跨不同地形的弹性。
根据其潜在机制，太阳能技术可大致分为两大类：热力学系统和电化学系统。在传统的太阳能热力学系统中，如太阳能水和矿物开采，光热和辅助毛细管效应驱动水从液体到气体的相变，有效地将水分子与污染物或盐分离，从而产生纯净水和矿物质1,2。相比之下，太阳能电化学系统利用阳光引发化学反应，通过光催化、太阳能水动力学系统（水电/湿度设备）3和太阳能电子等过程产生纯水、电或化学燃料。然而，单个太阳能技术的效率仍然不是最优的，通常低于50%，大部分能量以热量的形式消散。
鉴于这些太阳能系统的独特但兼容的机制，将不同的太阳能热力学蒸发和电化学技术整合到一个统一的系统中是可行的。这种集成实现了跨多个系统的分级能源利用，提高了单个太阳能系统的能源效率和成本效益，并提供了一种具有环境、运营和经济效益的革命性解决方案。此外，集成太阳能技术通过重新利用一个系统的低效率来造福另一个系统，将不需要的输出转化为有价值的资产，以提高系统性能，从而创建了一个可持续的框架。例如，太阳能电池的废热通常被视为效率损失，可以被太阳能热电装置利用来产生额外的电力，减少热量积聚，将太阳能发电效率提高到20.06%（参考文献4），这可以通过利用太阳能水系统中的潜热来进一步提高。同样，在太阳能水系统中结合光催化可以同时进行水净化、流动水中的污染物去除以及通过标量能量收集和收集进行水分解。这些集成减轻了局部热量积聚和能量耗散，从而提高了能量转换效率和额外的产品，如水和电。通过突破效率、耐用性和适应性的界限，集成太阳能蒸发可以导致向未来的范式转变，在未来，高效、环保的太阳能系统被和谐地整合在一起，以应对各种实际应用的具体挑战，为满足全球水和能源需求铺平可持续的道路。
Yusuke Yamauchi：用于太阳能蒸发的碳基材料
太阳能水蒸发技术正在成为一种直接从未经处理的水源中产生清洁水的可持续方法。这个过程中使用的材料必须有效地吸收阳光，将其转化为热量，并促进水分蒸发5,6。黑色材料以吸收各种波长的光而闻名，在太阳能蒸馏中特别有效。最近的研究强调了活性炭、碳纳米管和石墨烯等碳基材料的优势，因为它们具有优异的光吸收性能、化学稳定性、机械强度和低制造成本。其中，纳米多孔碳因其较大的比表面积而引人注目，它在优化吸热和散热的同时增强了水的蒸发。表面改性，包括氧化处理和引入官能团，可以显著提高亲水性，从而改善水相互作用并提高蒸发效率。
该领域的一个令人兴奋的发展是创造了将碳与金、银和铜等等离子体纳米颗粒结合的混合材料。这些纳米粒子选择性地吸收特定波长的光，通过局域表面等离子体共振效应增强局域热产生。虽然金属纳米粒子单独使用时可能很昂贵，但它们与碳材料的结合既降低了成本，又提高了性能。与金属-有机框架（MOF）、沸石和二氧化硅等多孔材料的杂交也越来越受到关注。一些MOF被设计为有效地吸收特定的光波长，从而允许新的太阳能蒸馏技术最大限度地利用阳光。MOF与等离子体纳米颗粒和碳材料的协同作用产生了利用多种机制的混合系统，从而实现了极高的光热转换效率。
纳米多孔碳的使用对于太阳能蒸馏效率至关重要。微孔材料（<2 nm）通过毛细作用有效地捕获水分子并增强热吸收。然而，小孔会阻碍水分子的扩散。大孔材料（>50nm）有助于流体运动，但可能存在表面积低、保水性降低的问题。介孔材料（2-50nm）提供了一种平衡，增强了水的运动和蒸发速率。分级孔结构特别有效，其中微孔保留水分，中孔促进蒸发，大孔帮助蒸汽转移。此外，纳米孔相对于水面的取向显著影响吸热和蒸发效率。面向水面的适当设计的孔开口，即各向异性孔结构，可以通过允许有效的吸热和蒸汽逸出来增强蒸发。然而，耐盐性有时对光热水蒸发至关重要，特别是在海水淡化中。采用表面处理来增强亲水性并设计分级孔结构可以促进盐分排出并保持高蒸发率。通过解决这些因素，太阳能净水技术的进步在未来可以变得更加有效和可持续。
胡良兵：植物启发的太阳能蒸发器
为了有意义地部署太阳能蒸发来应对全球水资源短缺的挑战，这些系统必须低成本、可扩展，具有长期运行的能力，并且对环境的影响很小。天然材料，特别是其纳米级构建块（例如纤维素纳米纤维），已通过自下而上的组装方法被广泛探索为高性能太阳能蒸发器。已经证明，即使在一个太阳辐射下，对每层性能进行精确控制的多层结构也具有优异的太阳能蒸汽性能。但是，与纳米级构建块的提取以及制造过程中的能源和/或水的使用相关的高成本很可能会阻碍它们在实际应用中的使用7。
许多植物（例如，一棵活树）依靠自然界进化出的独特介观结构，不断从地面系统循环水。我们可以利用这种天然植物纳米结构，采用自上而下的制造方法，以高性能和低成本实现太阳能蒸发。例如，有人提出了一种以树木为灵感的设计，使用具有双层结构的天然木材进行太阳能蒸汽发电8。得益于独特的开放式通道结构，天然木材的碳化表面层几乎可以作为完美的太阳能吸收器（超黑表面，~99%）。碳化表面下方的天然木材层的低导热性使局部热量集中到高温，从而形成高效的水蒸发器。天然木材层也可以像天然树木一样，不断地向上游泵送废水。为了进一步增加基于植物的太阳能蒸发器的水传输，可以使用天然植物层的木质素改性（例如脱木素）在纤维素纤维之间创建纳米通道。这种受工厂启发的设计和自上而下的制造提供了廉价且可扩展的太阳能收集和蒸汽发电技术。
除了太阳辐射下的高蒸汽产生率外，在保持长期稳定性和快速蒸发率的同时防止运行过程中的盐积聚也是一个关键挑战。具有独特互连宏观结构的植物（例如，具有双峰多孔结构的巴杉木，具有约200-400µm的大导管通道和约20µm的小管胞通道）被证明可以通过在清洁水蒸气产生过程中在顶面提供足够的盐水补充以及通过木坑和射线池的有效横向盐水扩散来有效解决这种盐积累问题9。
除了清洁水的产生，基于植物的太阳能蒸发器还可以进一步进行纳米工程，具有受控的表面电荷和流体和离子的纳米级传输，可以作为其他新兴技术（例如，能量收集、从水中提取有用材料，如锂盐，以及环境处理）的独特离子膜。
米宝霞：卤水矿物回收的关键研究空白
界面太阳能蒸发技术在从工业或天然盐水中回收矿物方面具有巨大潜力。例如，作为对用于从天然盐湖生产矿物（如锂）的现有太阳能蒸发池的改造，界面太阳能蒸发，特别是三维（3D）设计，可以显著提高水的蒸发率。同时，管理3D界面太阳能蒸发器内的盐传输有可能实现盐分离，以实现目标矿物回收。通过设计蒸发材料、优化3D结构设计和开发集成系统，可以实现有效的矿物回收。
然而，我们需要解决盐水应用中的巨大挑战，其中最突出的挑战是多价阳离子的影响。多价阳离子，如钙和镁，通常在工业或天然盐水中以高浓度存在。这些阳离子很可能比阴离子10对蒸发过程产生更大的负面影响，因为它们与蒸发器内的材料表面相互作用更强。然而，这些影响尚未得到研究界的充分调查，仍然是我们需要填补的关键研究空白。
此外，了解复杂水化学中不同离子的输运和分离至关重要。许多关于界面太阳能蒸发的研究报告了优异的性能，但它们通常只使用非常简单的氯化钠（NaCl）溶液，而忽略了盐水也含有高浓度其他离子的事实。这些离子不仅会影响水的运输和蒸发，还会在运输和结晶过程中相互干扰。例如，该领域的许多研究人员致力于通过在蒸发器的不同位置分离矿物来实现矿物（如锂）的回收。在这种情况下，表征复杂离子成分存在下的分离性能非常重要，而不是简单地在NaCl溶液中添加目标矿物质。
最后，蒸发器表面的矿物结晶比膜分离中的典型结垢要复杂得多。膜表面的结垢仅涉及液固界面上的离子沉淀，而太阳能蒸发器中的结晶涉及空气-液固界面和热效应，即太阳能加热导致的温度升高。因此，使用现有文献预测太阳能蒸发器中矿物结晶的行为极具挑战性。因此，迫切需要对矿物结垢进行系统研究，以便更好地利用该技术从盐水中回收矿物。
徐凝和朱嘉：规模化太阳能蒸发技术的挑战
界面太阳能蒸发是一种新兴的太阳能水技术，它利用气液界面的太阳能来增强水的蒸发。由于其在海水淡化、废水处理等领域的应用前景广阔，它引起了广泛的研究兴趣。在过去的十年里，太阳能蒸发器的材料和设备的众多设计取得了显著进展，使太阳能到蒸汽的效率接近热力学极限。然而，在将这项技术从实验室环境推进到工业应用时，仍然存在重大挑战。
首先，虽然实验室研究鼓励各种材料类别，但在向工业应用过渡时，需要考虑材料的丰富性、无毒性和生态友好性，以及材料制造过程的可扩展性。材料的丰富性和制造工艺的可扩展性是太阳能蒸发器成本和生产效率的关键决定因素，从而显著影响太阳能蒸发技术的工业化前景。材料毒性和生态友好性对其对水生生态系统的影响以及实际水净化过程中收集水的安全性至关重要。然而，现阶段对这些因素的全面评估很少。
此外，随着蒸发器扩大到实际应用，保持高蒸发效率仍然具有挑战性。许多研究报告了实验室规模的太阳能蒸发器的高蒸发率，这些蒸发器具有精心设计的利用环境能源的三维结构。然而，当通过扩大水平尺寸或构建阵列来扩大规模时，性能往往会下降。这是因为增加水平尺寸会降低吸收器侧面积的比例，这主要有助于通过环境能源利用来增强蒸发。此外，相邻的蒸发会增加环境湿度，这反过来又会随着太阳能蒸发器的扩大而抑制蒸发速率。
此外，现实世界的水源通常含有各种离子和污染物，使其比实验室条件更复杂。这种复杂性要求开发更周到的材料和器件设计，以确保太阳能蒸发过程中的稳定性。对于不同的水体，这些设计必须考虑到各种类型的盐、盐度、有机物的存在以及生物污染的可能性等因素。例如，海水除了钠离子外还含有钙和镁离子，这会导致形成更致密的沉淀物。从真实海水中抵抗或去除沉淀物比用基于NaCl溶液的模拟海水进行这些过程更具挑战性。
尽管存在这些挑战，但乐观的是，持续的合作努力将使这一目标取得进一步进展。更重要的是，除了水净化外，初步试验还证明了太阳能蒸发在发电和资源回收方面的应用前景广阔12。这些成就凸显了这项技术的更广泛潜力。我们相信，随着不断的创新和进步，太阳能蒸发技术有望成为解决涉及水、能源和资源短缺的全球危机的有效解决方案。
王鹏：跳出太阳蒸发的框架的思考
太阳能的丰富性和可持续性使其成为应对紧迫全球挑战的一个有前景的解决方案，这些挑战包括淡水短缺、清洁能源短缺以及我们共同追求碳中和。
在过去的十年里，太阳能驱动的蒸发过程越来越受到人们的关注，这从研究的深度和应用范围的扩大中可见一斑。然而，该领域现在正处于一个关键时刻，创新的方法和新的视角对于维持未来十年的增长和促进切实的社会影响至关重要。根据我过去在该领域的经验，我有以下几点要分享。
首先，我们不应该只局限于太阳能；事实上，工业、商业和/或住宅过程总是会产生大量的环境低热。这种热量的有效利用必将拓宽实际应用范围，扩大基于蒸发的工艺的影响。
其次，由于水的相变是一个充满能量的过程，水的蒸发和冷凝既是传质过程，也是能量传递过程。水-能源关系思维可以帮助设计更好、更高效的系统。因此，除蒸发率和淡水生产率之外的指标，例如能量回收、发电和冷却功率，应被视为直接影响这些过程效率的关键参数。
第三，废水、海水和盐水中的溶解盐为资源回收提供了重要机会。例如，通过蒸发过程从海水（和其他相关的高盐水）中提取锂是当今的一个热门话题。然而，从这些源水直接生产高纯度矿物仍然难以实现，因此需要创新的方法。这一领域的突破将对循环经济做出重大贡献，因为它将确保宝贵的资源重新融入生产周期，而不是作为废物丢弃。
最后但并非最不重要的一点是，（太阳能驱动的）蒸发从来不是任何实际应用的最终目的，因此系统集成是展示所宣布的应用场景性能的关键。始终需要跨学科的思维和方法来提出新的应用（例如，带温度调节服的太阳能蒸发），拓宽现有的应用窗口（例如，基于吸附的大气集水），更广泛地说，推动该领域的创新和可持续性。
文献信息
Ho, G.W., Yamauchi, Y., Hu, L. et al. Solar evaporation and clean water. Nat Water (2025). https://doi.org/10.1038/s44221-025-00391-1
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