界面太阳能蒸发是一种重要的新兴太阳能转换策略，是通过捕捉太阳能并将其转化为热能应用于水分子的蒸发的技术。在过去的十年里，通过全球科研人员的努力，推动了这一领域的快速发展和令人兴奋的进步，太阳能转化为蒸汽的效率已接近热力学极限，引起了人们对多个应用领域的极大兴趣。然而，仅仅提高能源效率并不能够实现这些应用的实际发展，因此就需要考虑其他因素和基本挑战
近日，南京大学朱嘉教授联合加州大学伯克利分校米宝霞教授以及香港理工大学王鹏教授发表展望论文。在本展望中，作者首先探讨了太阳能蒸发在生产清洁水、废水和盐水管理、资源回收、消毒和发电等有前景的应用，并介绍了它们的优点和工业化潜力。接下来，作者讨论了太阳能蒸发中要解决的基本方面，例如与蒸发性能紧密关联的微观热传递和水分子结合。最后，作者还探讨了除太阳能之外的其他能源，以逐步提升蒸发性能的可能性。论文以“Going beyond efficiency for solar evaporation”为题发表在《Nature Water》上。第一作者为Ning Xu和Jinlei Li。
生产清洁水：各种水资源（例如海水、苦咸水和工业废水）的太阳能蒸发驱动的清洁水生产被认为是该领域最有前途的应用之一。据估计，这种策略的成本低至 0.4-2.2美元每吨。这比小型反渗透系统便宜（5-10 美元每吨），与大型反渗透、多级闪蒸和低温多级反渗透系统相比具有竞争力效应蒸馏系统。最近的研究大大推进了蒸发效率或产水量。然而，高蒸发率并不自动转化为高产水量。关键的不同之处在于冷凝，它极大地影响了最终的水收集。凝结需要水蒸气的饱和，这通常会增加太阳能蒸发器附近的蒸汽压力。然而，当相对湿度的增加削弱了蒸发的驱动力，导致蒸发量减少。此外，凝结界面的低效传热往往阻碍了快速有效的凝结，导致更强的过饱和度，以此来降低了蒸发蒸汽流量。
已经开发了几种材料和结构来解决与冷凝相关的这些挑战。一种策略是将纳米结构和/或分子链修饰引入传统蒸馏装置的透明冷凝盖，从而赋予盖以疏水/亲水特性。亲水覆盖层增强了膜状冷凝，这有利于减少液滴的阳光散射，但由于水膜的低电导率不利于冷凝传热。疏水覆盖层导致滴状冷凝，这有利于冷凝传热，但仍会因散射而导致光学损失。因此，同时减少光损失和增强冷凝传热仍然具有挑战性。此外，研究人员提出倒置结构以增强冷凝，同时最大限度地减少光学损失：吸收器放置在冷凝器的顶部，而蒸汽在底部表面冷凝，避免光学损失。
废水和盐水管理：界面太阳能蒸发也被用于处理废水，例如纺织废料、盐水和含有高浓度溶解固体的废水。界面太阳能蒸发具有成本低、设施简单、耐污染、耐高盐度和低碳足迹等优点，被认为有望用于处理高盐度卤水，最终实现水溶质完全分离，或零液体排放。
研究人员最近一直专注于高通量和稳定处理的材料、结构和表面化学设计。具有纤维或多孔纳米结构的三维 (3D) 蒸发器引起了相当大的关注，因为它们由于利用环境能量进行蒸发而实现了收集水的增加。但是，由于相邻蒸发之间不可避免的干扰，在向工业应用扩展时保持高水产量通常具有挑战性。
资源回收：虽然废水和盐水中的溶解固体对结垢提出了潜在的挑战，但它们也为资源回收提供了巨大的机会。随着水的蒸发，溶解的固体被浓缩并最终沉淀出来。为了方便地收集沉淀的溶质，一种实用的策略是开发 3D 太阳能蒸发器，其中沉淀物形成不稳定的结构，自然脱落。另一种有前途的方法有蒸发表面和光吸收表面的分离，这有效地避免了随之而来的光阻挡问题。
为了衡量资源回收率，作者能够正常的使用 ε（它是已回收的相关溶质相对于初始进料溶液或流中存在的量的量）。目标溶质的完全分离和回收（ɛ = 100%）是零液体排放的最高要求，可最大限度地提高经济价值并最大限度地减少对环境的影响。虽然对于单组分进料系统来说实现高 ε 可能很简单，但直接处理更复杂的进料基质通常会导致许多溶质共沉淀在一起，从而使回收资源的再利用具有挑战性。
消毒：使用蒸汽冷凝时释放的大量潜热进行蒸汽/蒸汽灭菌被认为是灭活医疗器械和材料上病原体的最有效和最可靠的方法之一。然而，传统的蒸汽灭菌主要是依靠电力或现代燃料，这对于许多发展中国家和地区来说是一种有限的资源。因此，在这种情况下，由无处不在的阳光提供动力的高温/高压太阳能蒸汽发电显示出巨大的前景。为了完全灭菌，它常常要温度大于121 °C 和时间在15 分钟的“饱和蒸汽”。为了达到并保持如此高的蒸气温度，吸收器和系统都需要精心设计，因此通常涉及无机基材料。还表明，由于热质量和热损失大幅度减少，基于界面加热的太阳能蒸汽灭菌器与所有三个典型灭菌阶段（加热、灭菌和冷却）基于体积加热的灭菌器相比具有巨大的动态优势。
发电：蒸汽携带的“自由潜能”也可以转化为电能。一项成熟的技术是使用聚光太阳能发电厂，将太阳能集中产生高温度高压力蒸汽，然后通过热机发电。界面太阳能蒸发最近在发电的初步努力中得到了证明，因为蒸汽冷凝过程不但可以产生干净的水，还能够最终靠摩擦电，热电 - 压电和热电效应。相应的 ηSE 通常低于 4%。这主要是由于目前的摩擦电、热电和热电的能量效率低，而且这些技术仍处于起步阶段。
通过从界面太阳能蒸汽转换电能仅被视为清洁水的副产品，可用于为小型电气组件供电或补充偏远离网地区的电力供应。另一种同时产生电和水的有前途的途径是将界面蒸发与太阳能电池相结合。底部蒸发器作为太阳能电池的蒸发冷却器以提高其效率，而顶部太阳能电池的热化能量被底部蒸发器重新利用以产生干净的水。
微观传热：为促进太阳能蒸发的可持续发展，研究基本的相变机制也很重要。太阳能蒸发的整一个完整的过程被认为是：太阳能被太阳能蒸发器捕获并转化为热能，然后传递给界面水分子以促进蒸发。虽然许多先前的工作已经研究了太阳能-热转换过程，但热-蒸汽转换的机制仍不清楚。由于该机制对蒸发性能具有基础性影响，因此表征该过程并确定加强相应传热系数 的方法至关重要。因此，未来需要更加多的理论和实验研究。
水的分子键合：水如何从太阳能蒸发器蒸发的机制也正在研究中。由于热化太阳能大多数都用在破坏水分子之间的氢键，因此在蒸发过程中促进水簇的形成是一种潜在的强大策略，可通过降低 hE 来减少用于蒸发的能量消耗。因此未来应该对水簇进行更直接的实验观察。水簇在蒸发过程中还可以携带盐离子，这可能会引起纯化水的质量不确定。
促进蒸发的其他能源：最后，还应该指出的是，太阳能并不是唯一可以驱动蒸汽产生的能源。据报道，诸如自然对流和大量水的传导等环境能源能加强水的蒸发。这种现象能够最终靠使用风能来放大。这些认识刺激了 3D 太阳能蒸发器的开发，旨在利用除太阳光之外的其他能源。最后，可用于增强太阳能蒸发的广泛其他来源（例如工业废热、地热和生物质）仍然相对未开发。
小结:总而言之，面太阳能蒸发是一种前景广阔的技术，可解决水和能源之间的挑战。经过近年的进展，太阳能蒸发的能源效率接近极限，现在需要全面考虑各项关键参数，以充分的发挥其在各种应用领域的潜力，包括清洁水生产、废水和盐水管理、资源回收、灭菌和发电。实现这些应用所需的品质因素将推动太阳能蒸发的发展超越仅仅追求效率。太阳能蒸发的性能取决于微观热传递和水分子结合，这方面仍有待进一步研究。随着3D太阳能蒸发器的出现，预计可通过其他能源进一步促进水蒸发。基础研究和能源整合的突破将为社会提供强大的工具，实现上述里程碑的概述。
尽管已经取得了可观的进展，这只是一个新的起点。通过全球合作的努力，预计未来十年将继续推动这一势头，并为应对现有挑战、将预期的应用转化为可行的工业化/商业化技术提供信心。蒸汽生成方面的发现和经验还可以扩展到催化、分馏、被动冷却等其他应用领域，并在液-气相变的广义领域产生更广泛的影响。
朱嘉，南京大学教授、博士生导师。2010年获美国斯坦福大学工学博士学位，师从大牛崔屹。随后在加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室做博后，期间获得“中国政府优秀留学生奖”、“国际材料学会优秀研究生金奖”和“美国化学学会无机化学青年科学家” 等称号。2013年9月回到南京大学组建纳米能源研究小组，现为南京大学固体微结构国家重点实验室PI，国家青年“973”项目首席科学家。
近期获得的奖项包括：日内瓦国际发明展特别嘉许金奖（2019）、陈嘉庚青年科学家奖（2018）、美国光学学会青年科学家奖(2017)、江苏省五四青年奖章（2017）、杜邦青年教授奖(2016)、饶毓泰基础光学奖优秀奖（2016）、麻省理工技术评论全球青年创新人物奖(2016)等。
朱嘉教授团队主要是做面向基于光热调控的新能源领域的纳米材料与器件的研究，聚焦与纳米尺度的电学、光学、热学基础原理的探究及新型能原材料的研发。团队目前研究的主要方向为：锂钠光学、辐射制冷、热电、光热转换等
迄今为止，在Nature、Nature系列、Science系列、Joule、PNAS、Nano Letters、Advanced Materials 等国际高影响力学术期刊发表论文130余篇，他引超过9000次，授权专利10项, 受邀在政府，国际会议及世界著名学府做过70多场大会、特邀专题报告。英国皇家化学学会会士，杂志Nanophotonics的责任编辑，同时是40多个国际学术期刊的特约审稿人。
