光热转换 | Nature energy：太阳能驱动的界面蒸发
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41560-018-0260-7
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摘要
作为一种普遍存在的太阳能-热能转换过程，太阳能驱动蒸发因其较高的太阳能转换效率和巨大的工业潜力而引起极大关注。近年来，通过将太阳热能转换聚集在空气/液体界面的太阳能驱动界面蒸发已被认为是传统基于整体加热的蒸发的替代方案，其特点在于减少热损失并提高能量转换效率。在这篇综述中，作者讨论了实现高性能蒸发的关键组件的开发，包括太阳能吸收器、蒸发结构、隔热体和聚热器，并讨论它们如何提高太阳能驱动的界面蒸发系统的性能。描述了将这种高效的太阳能驱动界面蒸发过程应用于能量转换应用的可能性。还讨论了太阳能驱动界面蒸发过程的基础研究和实际实施中的机遇和挑战。
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引言
太阳能热技术是一种直接获取太阳能用于供暖和储能领域的技术。太阳能热技术的一种利用方式是太阳能驱动蒸发，主要涉及在低于沸腾温度的生产蒸汽以及在等于或高于沸腾温度下生产蒸汽。作为一种基本的热过程，太阳能驱动的蒸发在推动全球各种应用中发挥着举足轻重的作用，并且自古以来就被人类用来生产清洁水。在现代社会中，它还被用来驱动许多重要的工业过程，例如太阳能发电和蒸汽灭菌。迄今为止，太阳能热能在许多应用中仍未得到充分利用，这主要受限于该技术需要大量光学透镜带来的复杂性和高成本。此外，很少有人探索利用和转换蒸发过程中的能量， 尽管自然环境中太阳能驱动的蒸发无处不在。
图1 通过各种形式的太阳能加热来驱动太阳能蒸发。a，基于底部加热的蒸发，其中太阳光被太阳能吸收器吸收并转化为热能以从底部加热大量液体。b，基于体积加热的蒸发，其中均匀分散的太阳能吸收器将入射太阳光子转化为热能以加热液体。c，基于界面加热的蒸发，其中太阳热转换和加热位于气液界面。T，温度。
在没有光学聚光的太阳能驱动蒸发系统中，例如太阳蒸馏器，光热转换发生在接收器表面，而蒸汽产生发生在系统的其他地方（图1a）。这种热量和蒸汽产生的分离导致巨大的热损失，这些热量主要用来解热本体水，而带来不必要的温度下降，这反过来又导致不可避免的热损失并导致太阳能蒸馏器中相对较低的蒸发效率（30-45%）。为了减少热损失，通过将热量产生转移到流体内部（图1b），已经证明了使用光学纳米流体的体积太阳能吸收方法。体积加热策略仅实现了适度的蒸发效率提高，因为它们不是专门为需要高表面温度的蒸发应用而设计的。此外， 在长期强烈的太阳辐射下纳米流体的稳健分散和泵送仍然具有挑战性。近年来，人们提出了一种界面蒸发方法（图1c）来改善液体表面的热量定位，并在降低光学浓度的情况下成功实现了~90%的蒸发效率。这种方法选择性地加热水的蒸发部分，而不是整个水体。这种太阳能驱动的界面蒸发避免了体积加热，最大限度地减少了光热材料的使用量，并提供了动态调节蒸发性能的额外手段，包括蒸发蒸气通量和蒸气温度。由于这些优点，太阳能驱动界面蒸发有潜力扩大太阳能热技术在紧凑、独立和便携式系统中广泛应用。
在这篇综述中，南京大学朱嘉教授团队探讨了太阳能驱动界面蒸发系统关键组件的最先进发展，并讨论了它们所实现的广泛应用。概述了最近通过材料工程提高蒸发性能的工作，并讨论了材料和系统层面的各种功能材料和先进结构设计如何不断提高性能。在该技术的能源相关应用方面，除了普遍使用太阳能用于海水淡化、蒸汽产生和水净化之外，还特别关注代表性的能量收集以及从太阳能到热能、电能、机械能和化学能的转换，最近已被探索或有潜力从太阳能驱动的界面蒸发中受益。最后，我们指出了基础研究和工业实施的研究机遇和挑战。
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太阳能驱动界面蒸发系统
太阳能驱动界面蒸发系统的开发围绕以下关键部件展开：太阳能吸收器，可以有效吸收太阳辐射并将其转化为热量，同时允许蒸汽渗透通过正面；浮动蒸发结构，可同时最大化蒸发速率并向加热区域供应液体；以及能够有效减少转换后的太阳热能到大量液体中的损失的隔热体。
3.1 太阳能吸收器
高效吸收广谱太阳辐射并将其转化为热量是驱动液体蒸发的第一个关键步骤。已经开发和探索了两类太阳能吸收材料，即碳基和等离子体基吸收剂。
图2|用于太阳能驱动界面蒸发的太阳能吸收器。a，石墨烯（一种碳基太阳能吸收器）的光热转换工作原理。当入射阳光照射到单层石墨烯（零带隙半导体）时，它会将电子从价带（绿色锥体）激发到导带（灰色锥体），受激电子的弛豫产生热量。b，太阳辐照度光谱和所选碳基太阳能吸收器的代表性吸收光谱：多孔碳泡沫支撑的膨胀石墨层（红线）、氮掺杂多孔石墨烯（蓝线）和还原氧化石墨烯气凝胶（绿线）。插图显示了吸收体相应的示意性结构（红色和绿色圆圈内）和扫描电子显微镜图像（蓝色圆圈内）。比例尺，5 μm。c、工作原理图基于等离子体的太阳能吸收器的光热转换原理。单个等离子体纳米粒子吸收具有窄带宽的不同波长的光，电子被激发然后松弛，以热量的形式耗散能量。由于纳米粒子之间的等离子体耦合，等离子体纳米粒子的自组装结构可以吸收宽带光。d，基于等离子体的太阳能吸收器的代表性吸收光谱，包括等离子体NP色散（蓝线）、纸支撑自组装等离子体NP薄膜（红线）和AAO模板等离子体NP薄膜（紫线）。插图显示了等离子体纳米粒子分散体（蓝色圆圈内）、纸支撑自组装等离子体纳米粒子薄膜（红色圆圈内）和AAO模板纳米粒子薄膜（紫色圆圈内）的相应示意性结构。e，光谱选择性太阳能吸收器的示意结构，其由抗反射涂层（ARC）、选择性太阳能吸收层、 红外(IR)反射层和支撑基板。f，100°C 下黑体吸收器和光谱选择性吸收器的辐射热损失比较。插图显示了光谱选择性太阳能吸收器的照片。
碳材料通常呈黑色，适合宽带太阳能吸收。碳基材料的太阳能吸收涉及电子的激发及其随后的弛豫（图2a）。光激发电子通过电子-电子和电子-声子散射快速热化。在迄今为止研究的各种碳基吸收剂中，石墨、空心碳球和还原氧化石墨烯因其高吸收率、低成本和良好的加工性能而成为有前途的备选材料。例如，由浮动碳泡沫和顶部剥离石墨太阳热转换层组成的双层蒸发结构已经实现了对250至2,250 nm范围内太阳辐射的97%吸收（图2b） ）。鉴于迄今为止报道的高太阳能热转换性能，碳基太阳能驱动界面蒸发未来广泛应用面临的挑战是降低相关成本。有前途的解决方案包括开发集成蒸发系统设计，例如火焰处理木材，使用低成本吸收剂，例如聚合物海绵，以及使用先进的制造技术，例如三维打印。与单组分碳吸收剂相比，具有磁响应和光学活性的碳基复合材料可以轻松回收太阳能热转换材料，并提供附加功能，例如光催化处理有机污染物。
纳米级等离子体已表现出高效和局部热能转换能力，并且也已用于太阳能驱动水蒸发。在激光谐振照射下，等离激元激发的电子通过朗道阻尼机制受到非辐射阻尼，并通过电子-电子和电子-声子散射过程重新分配能量，产生热量，光热转换效率接近100% （图 2c）。与碳材料不同，单个等离子体纳米颗粒（NP）（例如金）仅吸收其共振峰周围的窄带光。为了吸收更广泛的太阳光谱，具有分布尺寸的纳米粒子已被组装成多孔薄膜（图2c）。在组装的多孔膜内，Au NP 紧密堆积，它们各自的局域表面等离子体共振模式相互重叠和杂化，导致宽带吸收。沉积在纸和其他基底上的自组装纳米粒子薄膜已用于太阳能驱动的界面蒸发（图2d）。支撑纸基材的粗糙纤维素纤维通过多重散射效应，有助于将 Au NP 在 400-800 nm 波长范围内的光吸收率从平面自组装薄膜的 65% 提高到纸支撑薄膜的 85%。通过物理气相沉积工艺，在纳米多孔阳极氧化铝（AAO）模板表面沉积金属纳米粒子，实现了超高吸收率（~99％）（图2d）。在这种情况下， 不同形状和尺寸的相邻颗粒之间的局域表面等离子体共振耦合大大增加了光学模式的密度，从而展宽了吸收波长。多孔AAO模板在通过内部捕获效应增强光吸收以及通过减少与空气的折射率失配来减少反射率损失方面也发挥着重要作用（图2d）。类似的策略也被用来组装比金纳米颗粒更具成本效益的铝纳米颗粒。
贵金属纳米颗粒的热稳定性是等离子体吸收剂所关注的一个问题，因为这些金属纳米颗粒在相对较高的温度下往往会失去其结构并熔合在一起。在组装的等离子体结构上涂覆氧化铝等陶瓷保护壳层已被证明能够稳定内部等离子体纳米粒子并提高其热稳定性。新型等离子体吸收体作为一类新型光热转换材料， 人们已经开发出诸如过渡金属氮化物等具有宽光吸收带宽、低成本以及最重要的是高温耐久性的材料来满足太阳能热应用的需求。
理想的太阳能吸收器应具有高太阳能吸收率（0.25–2.5 μm）和低热发射率的对比特性，这可以通过长波红外区域（2.5–25 μm）的高反射率来实现。太阳能吸收器可以通过热辐射损失热量，这种辐射损失可能很大，尤其是在较高温度下。降低吸收器的热发射率可以抑制这些辐射损失。具有这些特性的一组特殊材料是光谱选择性吸收剂，它同时具有高太阳能吸收率和低热发射率。如图2e所示，通过使用红外反射金属作为基板或通过沉积金属反射器来实现低热发射率，该金属反射器在中红外和远红外波长下具有高反射性。对于金属陶瓷型吸收体，金属纳米粒子嵌入陶瓷粘合剂中，以选择性吸收太阳辐射，同时在红外区域具有高透射率。为了实现高吸收率（>0.9），使用多层或分级复合吸收体来降低吸收层的反射率。抗反射涂层还有助于减少太阳光的反射。最近，这种光谱选择性太阳能吸收器（图2f）的太阳吸收率高达0.93和100°C下0.07的低发射率漂浮在聚苯乙烯泡沫上，使用热浓缩方法通过太阳能驱动的界面蒸发有效地产生热蒸汽。与上述多孔太阳能吸收器不同，商业光谱选择性吸收器通常是固体涂层，并且需要不同的策略来管理供水和蒸汽传输，如稍后讨论的。
3.2 蒸发结构
图3|太阳能驱动的界面蒸发结构。a，将太阳热加热集中在界面处的多孔浮动结构示意图。b，自清洁超疏水蒸发表面示意图。V是水滴在超疏水太阳能吸收器表面的移动速度。c,d，示意图显示表面润湿性对太阳能驱动界面蒸发性能的影响：亲水底层(c)和用氟硅烷表面改性的疏水性底层(d)
将太阳热能产生的热量集中在空气/液体界面是实现高蒸发性能和高太阳能-蒸汽能量转换效率的关键。如图3a所示，实现界面加热的最直接策略是通过蒸发器表面疏水性、低密度或使用浮力多孔材料（例如碳泡沫）将太阳能蒸发器漂浮在空气/液体界面上。如无尘纸、还原氧化石墨烯气凝胶或AAO基材等材料。
太阳能加热区域的高效供水对于高效界面蒸发至关重要。对于多孔浮动蒸发系统，多孔蒸发结构的毛细管芯吸效应已被用来泵送水。孔径较小的多孔微结构增强了毛细管将水泵送到加热区域的作用。微米尺寸的孔已被证明比纳米孔更适合有效的毛细管泵水。在这些浮动蒸发系统中，封闭的孔隙还有助于降低界面结构的导热率，从而限制产生的热量热扩散到本体水和周围环境。对于由闭孔聚苯乙烯泡沫等浮子支撑的界面蒸发系统，使用外部织物芯吸材料来输送水。除了合适的孔径外，要获得较强的泵送效果还需要外部织物材料具有良好的水润湿性。
悬浮蒸发结构的蒸发器可以随着水流移动，实现空气/水界面蒸发连续运行。然而，需注意的是，虽然大多数已报道的蒸发系统都具有悬浮蒸发结构，但悬浮与否并不是实现界面蒸发的必要条件。在分散有高浓度太阳能吸收金纳米颗粒的溶液系统中，同样也能实现了空气/水界面的局部加热，该系统在靠近空气/水界面的薄层内完全吸收太阳光。最近，有意将具有高散射截面的聚苯乙烯球与金纳米粒子混合，通过强烈的多重散射效应将入射光捕获在顶部流体层内。这种散射效应使热量产生更靠近蒸发表面，从而提高了蒸发温度和速率。 该方法可用于散射和吸收的分离纳米粒子，为调节基于溶液的系统提供了额外的灵活性，可有效减少了贵金属的使用。
蒸发结构的表面润湿性在实现界面蒸发方面起着重要作用，直接影响蒸发性能。疏水表面有助于太阳能蒸发器的漂浮，如在空气/水界面自组装金纳米粒子薄膜、空心碳球和石墨烯片。已经证明，在氟烷基硅烷处理的聚吡咯涂层网状系统中氧化引起的疏水性丧失可以通过聚吡咯中包含的疏水性氟烷基硅烷向最外表面的自迁移来自我修复，并且这种自修复太阳辐射可以加速愈合过程。在另一个例子中，碳涂层纱布的坚固的超疏水表面表现出荷叶状的自清洁功能（图3b），这通过最大限度地减少太阳能吸收器的污染，有利于持久和稳定的太阳能驱动界面蒸发。另一方面，亲水表面需要毛细作用来蒸发水分，更强的亲水性导致更好的毛细管泵送能力。
独立式界面蒸发结构可以在顶部和底部表面上具有单独的润湿性特性。通过改变 AAO 支撑的组装 Au NP 薄膜表面的配体，研究了顶部和底部表面润湿性对蒸发性能的影响53。结果表明，顶面的润湿性对蒸发动力学和蒸发速率的影响可以忽略不计，但底面的润湿性对蒸发性能影响很大。如图3c所示，亲水底面可以被下面的水充分润湿，从而连续稳定地高速蒸发液体。相反，对于疏水性AAO底层，顶部太阳热转换层不能被润湿，从而限制了对液体的热传导（图3d）。同时，在蒸发过程中，AAO底层周围形成了许多气泡。这些绝热气泡严重限制了传热和传质，极大地降低了蒸发速率。在强烈的太阳照射下，形成的气泡进一步长大，最终使光热转换膜破裂。
3.3 隔热设计
适当的隔热设计对于将热量集中在空气/水蒸发界面、减少热损失（向下传导损失、向上对流和辐射损失）并提高蒸发效率至关重要。向下传导损耗 (qwater) 取决于绝缘体的热导率 (k)，可以通过公式：
q（water）=−kAdT/ dx
其中 A 是蒸发器面向太阳的表面积，dT/dT 是从太阳能吸收器到底层水的温度梯度。通过测量蒸发表面的温度，可以从理论上估计向上的对流和辐射损失。
图4 |用于太阳能驱动界面蒸发系统的渐进式隔热设计。a、单层浮式蒸发结构。b、双层蒸发结构，由浮动多孔隔热体支撑。c，双层蒸发结构，由封闭孔隙热绝缘体支撑，抑制向下的热量损失。d，通过使用选择性太阳能吸收器和透明的气泡经纱盖，减少顶部太阳热表面的辐射和对流热损失。
为了减少单层蒸发系统中从太阳能吸收器到底层水体的向下传导热损失（图4a），可以引入由多孔碳泡沫制成的隔热层，例如在双层蒸发结构中(图4b)。多孔碳泡沫中的闭孔含有空气，大大降低了热传导。然而，泡沫还包含输送待蒸发流体所需的开孔，并且润湿的泡沫比干燥的泡沫具有更高的导热率。在最近的一项研究中，太阳能吸收器被放置在只有闭孔的隔热体（聚苯乙烯泡沫）上。泡沫被亲水性纤维素包裹，水通过纤维素中的毛细管芯吸效应被泵送到加热表面（图4c）。另外，还可以通过使用带有几个钻孔的闭孔隔热材料以允许液体输送，向下的热泄漏几乎被消除（图4d）。在这种情况下，蒸发表面和水体之间的接触面积被最小化，并且主要的热损失转移到上表面。
太阳能驱动的界面蒸发系统的顶面主要通过对流和辐射散失热量。在具有覆盖顶部蒸发表面的透明聚合物气泡包装的蒸发系统中（图4d），对流热损失减少量>50%。这种策略的一个可能的限制是尽管盖子在视觉上是透明的，但入射太阳光的光学损失是不可避免的。通过用低发射、光谱选择性太阳能吸收器替代黑体吸收器，表面辐射损失降低了 90% 以上。降低太阳能驱动界面蒸发热发射的一个特殊挑战是水本身的高发射率。理想的蒸发结构不仅应具有低的热发射率，而且在水发射的波长处具有高的热反射率；也就是说，红外光谱的反射率应该很高，以阻止水发射热辐射。这一要求给蒸发水带来了额外的挑战，水必须暴露在周围空气中才能发生蒸发。
3.4 太阳能-蒸汽转换效率测量
蒸发效率是一个关键性能指标，与蒸发速率
成线性关系，定义为生成的蒸汽中存储的热能与传入的太阳通量的比率,即，太阳能-蒸汽转换效率
。
，其中
是总蒸发热函变化，包括显热和相变热; qsolar的是入射太阳能量。图 5 显示，由于底层水和环境空气的热损失不受抑制，单层蒸发系统的蒸发效率相对较低 (~40–50%)。相比之下，双层结构具有更高的转换效率，图 5 所示的最高太阳能驱动界面蒸发效率约为 90%。不同界面蒸发系统之间的巨大效率差异主要源于太阳能吸收和隔热设计的差异。
图5 |不同太阳能驱动界面蒸发系统的蒸发效率。不同太阳能驱动界面蒸发系统之间蒸发效率与太阳光照功率密度函数的比较。显示了利用等离子体基（红色符号）和碳基（蓝色符号）太阳能吸收器的界面蒸发系统的数据。空心和实心符号分别代表单层和双层蒸发结构。
为了实现高蒸发效率，蒸发系统应有效吸收宽带太阳光，并采用类似于图4d所示的隔热设计，以最大限度地减少各种形式的热损失。理论上，特定系统可达到的效率可以通过扣除蒸发系统在其工作温度下的热损失来估计。图 5 中观察到的蒸发效率对太阳通量的依赖性随具体隔热设计的不同而变化。在具有良好隔热性能的蒸发系统中，随着热损失与太阳通量之比的降低，蒸发效率随着太阳通量的增加而增加。当从一个太阳（1 kW m–2）变为集中太阳辐射（2 kW m–2）时，观察到的蒸发效率小幅下降可能与太阳集中期间的光损失有关。
由于缺乏标准化测量，很难直接比较不同蒸发系统之间的蒸发效率，因此图 5 中并未包含所有报告的效率值。为了弥补这一差距，使用了具体的计算公式以及如何确定的相关参数应明确说明。应从测量的太阳能驱动蒸发率中减去自然蒸发率。显热对 的贡献不容忽视，取决于蒸气温度，需要准确、正确地测量。
到目前为止，大多数报道的效率都是稳态蒸发效率，它是利用稳态下的蒸发速率来计算的。然而，不同的系统达到稳定状态所需的时间不同。考虑到对时间依赖性，建议相同太阳光照时间下的时间平均蒸发效率进行说明。它将包括系统达到稳定蒸发速率的响应时间，快速响应将有利于间歇性太阳辐射条件下（如阴天）的累积蒸发性能。此外，理想情况下，蒸发实验应在开放的水体上进行，而不需要容器进行额外复杂的隔热，这是太阳能驱动界面蒸发的主要优势之一。
高精度测量物理参数，包括太阳能吸收器表面的温度、蒸汽温度和太阳照明的功率密度，是准确评估蒸发性能的另一个先决条件。太阳能加热表面的温度可以通过与蒸发表面物理接触的热电偶直接探测。测量蒸汽温度具有挑战性，因为蒸汽在扩散离开表面时会迅速冷却。所需的蒸汽温度应在靠近水分子离开界面的蒸发表面附近测量。为了应对这一挑战，可以在蒸发表面周围放置一个小的蒸汽室来捕获蒸汽并避免热蒸汽快速散热。为了准确测量太阳照明的功率密度，应使用专门用于测量宽带太阳能光的太阳能功率计。窄带功率计不考虑功率的频谱变化。同时，在准确计算太阳到蒸汽能量转换效率时，还应考虑光学透镜的光学损耗，或者至少承认这一点。如果可能，应使用反射孔来减少散射光。
3.4 热集中方案
自然太阳通量是稀释和扩散的，并且不足以产生足够的太阳热加热功率密度以实现大的蒸发率。除了蒸发速率之外，调节蒸汽温度的能力是太阳能驱动界面蒸发系统的另一个所需属性，特别是在低太阳光照密度下实现高蒸汽温度。虽然最近很多注意力集中在研究单太阳光照下的蒸发31,39,54,56，但理论分析表明，即使没有任何热损失，环境通量（1 kW m–2）太阳辐射也不能直接驱动 100 °C 的蒸汽产生。环境压力27。因此，大多数报道的太阳能蒸发系统需要光学聚光才能在环境压力下将水蒸气温度提高到 100°C。例如， ≤10×光聚光度下的界面双层蒸发结构26已应用于直接太阳能蒸汽发电。然而，光学聚光器的使用增加了蒸发系统的额外复杂性和成本（~200 m–2)27，并且在缺乏良好基础设施的地区是不可行的。由于抛物面槽或透镜对广谱太阳光的不完全集中，光学聚光方法还可能出现光学损失，这会牺牲太阳到蒸汽的转换效率。
图6 |热浓度下的太阳能驱动界面蒸发。a，在环境压力下通过热浓度在100°C下产生蒸汽的示意图。b，蒸发效率和蒸汽温度对热浓度的依赖性。
人们提出了一种热聚光策略（图6a），这种方法不依赖光学聚光器，该策略核心是扩大太阳能吸收面积与蒸发面积的比率，并与隔热层相结合，在环境压力下产生100°C的水蒸汽。太阳能吸收器收集的太阳热能在顶面和底面都是隔热的。转换后的热量横向传递并集中到小的蒸发槽中。图 6b 表明，在热浓度比约为 200 时，水蒸气温度在环境压力下可达到约100 °C。通过在槽尺寸和分布方面优化蒸发槽设计，显示出更高的蒸发效率。通过使用商业上可用的低成本材料，如气泡膜和聚苯乙烯泡沫来制造蒸发系统（图6a）， 研究表明，通过热浓缩产生蒸汽的成本比涉及光学聚焦的工艺便宜约 20 倍。虽然所需的热/光聚光远高于光聚光，但更容易实现，成本大大降低，可以显着促进自然光的收集和应用。
3.5 应用
随着太阳能驱动的界面蒸发系统的快速发展，许多技术上重要的能源相关应用也得到了探索。太阳能驱动的界面蒸发可以直接在开放的水体上运行，无需复杂的系统设计，这将有助于其作为聚光太阳能发电技术的补充技术，在较低的温度和压力下利用和转换太阳能。目前，广泛报道的太阳能驱动界面蒸发的用途主要集中在蒸汽产生、通过海水淡化和水净化产生清洁水。
其中，太阳能海水淡化是比较成熟的应用。界面蒸发器已集成到漂浮在湖泊或海洋上的便携式太阳能蒸馏器中，用于户外淡水生成。与商用大型热蒸馏和反渗透海水淡化系统相比，浮式界面蒸发海水淡化系统利用毛细管力将海水持续吸向蒸发区域，因此不需要复杂的抽水和处理设备，这有利于其在基础设施薄弱地区的快速采用。目前，小型浮动蒸发器可产生2.5 l m–2d–1的淡水，足以满足个人日常饮用需求。通过使用低成本材料构建界面蒸发系统，已证明整个海水淡化系统成本可降低至约300万美元–2， 比商用太阳能蒸馏器60低10倍以上。同时，应该强调的是，虽然界面蒸发系统具有高达约90%的太阳能-蒸汽转换效率，但总体海水淡化效率仍然相当低（约20%），因为热蒸汽中储存的大部分能量是当它们凝结成液态水时就被浪费了。为了提高海水淡化效率，界面蒸发系统还可以包括工业热蒸馏海水淡化过程中采用的多级加热设计。
有限空间内的局部太阳热加热、液-气相变以及界面蒸发过程中的快速热量和质量传输为将太阳能转化为其他形式的能量提供了额外的手段。尽管这些探索仍处于早期研究阶段，但它们将太阳能驱动界面蒸发技术的影响从太阳能利用扩展到其他领域，并且还使得多功能材料和系统的探索成为可能。例如，空气/水界面上的纸基还原氧化石墨烯-TiO2复合膜可以通过并行利用太阳能驱动的光催化降解机制和界面蒸馏机制来产生清洁水。由于太阳热加热引起的温度升高以及蒸汽流驱动的反应物加速扩散，太阳能驱动的界面蒸发已显示出进一步促进光催化反应的能力。
太阳能热能收集和快速运输
为了通过太阳能热过程收集太阳能用于各种应用，高效的太阳能到热能的转换以及将收集到的热能以最小的损失快速传输到应用终端都很重要。热蒸汽可以作为快速传递转换后的太阳热能的载体。图 7a 显示了一个漂浮的太阳能吸收器，位于密封的透明真空室内，放置在一端以将入射的太阳辐射转换为热能。产生的热量立即蒸发了下面的水，将太阳热能储存在热蒸汽中。压力差驱使蒸汽迅速扩散到真空室的另一冷端并凝结成液态水，从而释放出热，将潜热输送到外部循环水中。在亲水芯吸结构的毛细泵送下，冷凝水自发流回太阳照明和热转换区域，完成整个循环。这种装置能够有效地输送大容量的太阳能热能，并且由于蒸发和冷凝过程的快速自动循环，热损失最小。与热管驱动太阳能热水器采用的传统外表面加热相比，这种界面蒸发设计缩短了传热路径，从而将器件的总热阻降低了50%以上。透明窗口是允许将太阳光传输到真空室以驱动界面蒸发的关键组件，但其机械强度会限制中等蒸汽压力的接近。
发电
热蒸汽的动态流动，特别是高压蒸汽，可以直接应用于驱动燃气轮机的旋转以进行发电。许多报道的太阳能驱动界面蒸发过程产生了低温水蒸气，但被错误地描述为水蒸气，即高于沸腾温度的蒸气。除了在环境压力下通过热浓度在100°C下通过热浓度产生太阳能蒸汽之外，还有对产生高温高压蒸汽的探索，这对蒸发系统的有效供水和物理鲁棒性有更严格的要求。在50 kW m–2的聚光太阳通量下，Ghasemi等人报道了在525 kPa的高压下在156 °C下产生热蒸汽。在他们的工作中，将剥落的石墨粘合到多孔热稳定有机硅骨架上，作为浮动界面太阳能吸收剂。为了确保流体的连续输送并防止在高蒸发速率下变干，有必要在吸收器内集成具有优化孔径的泡沫铝。加压系统面临的一个挑战是，热蒸汽最终会加热外壳，即使是透明的窗户也会辐射散失热量并降低效率。这些因素最终可能会限制太阳能驱动的界面蒸发方法在中等压力和温度下产生蒸汽。发电应用也需要高蒸汽通量，因此需要策略，在相对较低的太阳能浓度下高效产生高通量高温蒸汽。
图 7 |由太阳能驱动的界面蒸发实现的代表性能量转换应用。a，真空室内快速蒸汽传输驱动的太阳热能收集。太阳能加热区域的快速液体到蒸汽的蒸发和热量释放区域的蒸汽到液体的冷凝使得太阳能热能能够有效地传热，用于远离热源的加热应用。b、蒸发驱动发电原理图。太阳能驱动的咸水界面蒸发产生盐度梯度，钠离子（粉红色点）穿过膜的扩散产生电力。c，机械能收集示意图。当水合驱动的人造肌肉暴露于水蒸发产生的高湿度梯度时，其强烈的弯曲-拉伸反应会导致水分磨机旋转。d，流通式太阳能化学燃料生产示意图。在催化剂的帮助下，二氧化碳和水蒸汽转化为碳氢化合物燃料。红色、白色和蓝色球体分别代表氧、氢和碳原子。
环境太阳能驱动的界面蒸发也可以发电。最近，一个研究小组报告说，可以利用蒸发诱导的盐度梯度来发电。如图7b所示，一种由太阳能吸收装置组成的混合装置。顶部的碳纳米管改性纸层和底部的离子选择性膜漂浮在空气/海水界面处，以接收太阳辐射，同时进行太阳能脱盐和发电。水的蒸发产生从蒸发表面到散装海水的盐度梯度，从而驱动盐离子的定向传输。在一次阳光照射下，电功率输出密度达到约1 W m–2，系统已显示出扩大规模的潜力。在其他相关工作中，基于密闭通道内液体流动可以诱导流动电位的发现，纳米结构碳涂层表面的自然水分蒸发已被证明能够产生电压高达1 V的电力，持续超过480 h。然而 应该指出的是，这些过程的整体太阳能到电能转换效率相当低，因为大部分太阳能输入已用于水蒸发。利基应用可能是太阳能的双重功能利用，用于清洁水发电和发电，以驱动在自然环境中用作传感器和其他重要设备的低功耗电子设备。通过将热释电材料等热电转换器暴露在不断上升的热水蒸气中，可以预期类似的清洁水和发电。
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展望和总结
在过去的几年中，通过不同学科的共同努力，太阳能驱动的界面蒸发得到了深入研究。尽管太阳能驱动的界面蒸发和提高太阳能到蒸汽能量转换效率的优势已得到明确证明，但仍需要进一步的基础研究来优化界面处太阳能转换、能量传输、质量传输和蒸汽扩散动力学的耦合，以便更深入地了解所涉及的流程，从而实现更好的性能。一个例子是无论太阳集中度如何，都能实现最大化的太阳能到蒸汽的转换效率。为了实现高能量转换效率，需要进一步减少所探索的蒸发系统中高辐射率水的高辐射热损失。为此，系统地研究了太阳能吸收器的微/纳米结构设计和表面化学的影响， 蒸发结构和隔热体对动态蒸发行为和平衡蒸发性能都是必要的。开发新型智能蒸发系统，可在需要时运行并自动调节蒸发速率、蒸汽，温度和蒸汽扩散方向可以将其应用扩展到其他领域。在这方面，自然生物系统对蒸腾过程的智能调节可以提供充足的启发。例如，用于水运输的树木的独特结构激发了人们对高效太阳能驱动蒸发装置的探索，使用等离子体木材、碳涂层木材或碳化木材作为蒸发器。
有利的界面太阳能驱动蒸发使太阳能蒸汽产生与其他工业过程相结合，探索太阳能的多功能利用。为了扩大这一跨学科领域的机会，需要对局部加热、流体流动和蒸汽流动如何影响蒸发辅助系统（例如光催化水净化系统）的增强性能进行定量分析和机理理解。其他可以同时将太阳辐射转化为热能并催化化学反应的太阳能吸收剂，如最近报道的黑色TiO2纳米笼、TiOxNPs和Ti2O3NPs，也应该开发。另一个重要的研究课题是探索新策略，将高效的太阳能驱动界面蒸发与其他太阳能热或太阳能化学过程相结合，以实现全太阳能化学合成，材料制造, 以及工业加工，例如蒸馏和灭菌。对于那些对太阳光子分布敏感的过程，光谱分裂技术和光纤导光技术，已经在其他太阳能收集领域使用的技术，可以引入多功能太阳能驱动蒸发系统。将太阳热能存储技术集成到界面蒸发系统中可以帮助解决与天气相关的太阳辐射间歇性问题。。
在实际应用中实施太阳能驱动的界面蒸发工艺将需要在材料和系统层面上进行进一步的研究和开发，特别是考虑到商业规模的可制造性。应确定坚固、轻质、廉价、高效的太阳能热转换材料、供水材料和浮动隔热材料，这些材料是商业上可获得的并且可以低成本生产。成功的海水淡化和盐度发电技术需要防止盐沉淀和可能阻碍设备运行的污垢问题。同样，实际的蒸发能量收集需要浮动蒸发结构在太阳辐射和水浸下的长期稳定性。从化学到生物等各种来源的污垢影响也需要进一步研究。在系统层面， 将太阳能驱动的界面蒸发系统与商业太阳能热系统集成起来，直接驱动离网化学生产的热或热化学循环是很有价值的。虽然需要进一步的研究和开发，但局部蒸发设计的内在优势意味着太阳能驱动的界面蒸发不仅会加速太阳能的收集和利用，而且还会激发目前非太阳能驱动的其他能源过程的新设计活力。