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第一作者：高婷博士，王艺达博士
通讯作者：武萱博士，徐浩兰教授
通讯单位：南澳大利亚大学
Science Bulletin, 2022, 67 (15): 1572-1580. DOI：10.1016/j.scib.2022.07.004
研究内容
近些年来，界面光热蒸发海水淡化作为一种清洁、环保、无污染的淡水再生技术，吸引了学术界及工业界的广泛的关注。在这一技术逐渐面向工业化的过程中，如何利用最少的光热材料来实现蒸汽产出的最大化是一项亟待研究的课题。在这个工作中，研究人员发现二维光热蒸发面的蒸发速率随着其面积的增加而减小。光热蒸发过程中，蒸发面中心的温度一直高于边缘的温度，而这种温度分布差异并非光源不均造成的。实验和理论模拟结果显示当光热蒸发表面面积变大时，由于蒸发表面上方空气对流无法有效覆盖中心区域，使这部分区域上方的蒸汽积聚饱和，因此蒸发面中间部分其实是“无效蒸发区域”，对整个表面的蒸发贡献很小。基于这个发现，研究人员选择性地将蒸发面的中间部分除去，结果与常理相反，剩余蒸发表面的蒸发速率和蒸汽产出不仅没有下降，反而都上升了。研究发现这是由于去除中间部分后，整个蒸发表面上方的空气对流重塑和加强了，更有利于蒸汽的逃逸使得蒸发进程加快。至此，这个工作成功地揭示了光热蒸发过程中一些常见现象的背后机理，并发展了一种能够在使用更少材料的情况下实现更高的蒸发速率和蒸汽产出的重要策略。
图文解析
图一a阐释了光热蒸发表面的制备过程以及后期测试装置构造。制备过程中，首先加热搅拌琼脂以及还原氧化石墨烯得到均一的黑色溶液，之后将热溶液喷涂到纤维织物表面进行粘合，最终得到稳定的还原氧化石墨烯光热织物作为蒸发表面。图一b-e展示了氧化石墨烯以及光热材料制备前后的微观结构。后续通过对光热材料的稳定性，光吸收性和机械性能进行表征分析（图一f-h），证明了所制备的光热材料性能优异。
图二：通过实验证明在普通的二维界面蒸发过程中，随着蒸发面积的增大，蒸发速率会反而减小。其中，图二a展示了实验中用到的2，4，6和8 cm边长的正方形蒸发表面。在有无阳光照射的条件下（图二b），蒸发速率都会随着蒸发面积的增大呈现出下降的趋势，且在光热情况下，下降更明显。图二c和d显示出，在光照条件下，中心温度比边缘温度高，面积越大的蒸发表面，其表面平均温度会越高，这会造成由蒸发表面到空气中的能量损失增加，因此导致蒸发速率下降。
图三：通过对2×2和8×8 cm蒸发表面上方空气对流情况进行理论模拟和分析（图三a和b），能够看出2×2 cm的蒸发表面上方形成的对流可以有效的覆盖整个蒸发表面，对流速率较快，从而可以快速带走光热蒸发产生的蒸汽，使蒸发继续进行，而对8×8 cm蒸发表面，其上方的空气对流无法有效覆盖中间蒸发区域，在光热蒸发过程中，无法及时将产生的蒸汽转移，造成局部高湿度，不利于蒸发。因此我们认为8×8 cm蒸发表面的中间区域为无效蒸发区域，将其命名为“dead evaporation zone”。
为了验证8×8 cm蒸发表面中心区域对光热蒸发过程没有贡献，且会抑制周围其他范围空气流动，本工作从实验和模拟两个方面进行了测试和分析（图四）。图四a展示了实验所用的完整的8×8 cm蒸发面，和分别移除中心1×1，2×2，3×3 cm区域的四种表面形态。实验结果表明，在光热蒸发过程中，当移除中心1×1，2×2 cm的面积后，整体的蒸发速率和蒸汽产出相较于完整表面不但没有下降反而有所提升（图四b）。其中对于L8-2蒸发表面而言，其材料面积减少了6.25%，而蒸汽产量反而增加了5.5%。其中一个原因在于，在移除中间部分以后，蒸发表面的平均温度降低（图四c），使蒸发表面的能量损失减少。另外，理论模拟显示，移除中心无效蒸发区域能够增加整个蒸发面上方的对流体数量和对流强度，加快蒸汽逃逸，从而促进光热蒸发过程。
以上实验充分证明蒸发表面上方的空气对流对光热蒸发效率有着重要影响，而蒸发表面的构造和布局会极大的影响对流的分布和强度。基于此，我们认为，对于给定的一组蒸发表面，直接将这些蒸发面拼接起来使用不是最有效的方式，需要对蒸发表面的分布进行设计。为了验证这一点，我们采用一组2×2 cm的光热蒸发面作为基本单元，如图五a所示，分别将4个2×2 cm的单元无缝密集排列（间距0 cm）以及隔开1 和2 cm进行排列。蒸发速率和效率计算结果（图五a-d）证实紧凑排列不利于光热蒸发，无论是蒸发速率或者能量利用效率都会下降，而分开一定距离的排列模式则能够让各蒸发单元高效蒸发。此外，各单元分隔开的排列方式也能够降低蒸发表面的温度，从而减少能量损耗，增加光热蒸发的能量效率。这个策略也同样适用于三维蒸发装置。
总 结
这个工作证明了在界面光热水蒸发的过程中，单纯的增加蒸发面积并不能够提高蒸发速率，反而会适得其反。其内在原因在于大面积的蒸发单元中心位置存在无效蒸发区域，这一区域对整体界面光热蒸发过程没有贡献，而会加剧蒸汽堆积，影响周围区域的蒸发过程。通过实验和模拟证实，在去掉中心无效区域后，界面整体的光热蒸发速率和蒸汽产出反而会上升，这一过程不但能够降低表面平均温度，压缩能量损耗，还能够有效改善界面上方的空气对流，加快蒸汽逃逸，从而促进光热蒸发。在此基础上，发展小单元协同分布的界面光热水蒸发体系，能够进一步提高能量利用率和实现蒸汽产出最大化。综上，这一工作揭示了一些界面光热蒸发过程中的常见现象的背后机制，为光热蒸发体系的工业化探索提供实用性的策略，为接下来领域的发展提供更多可能。
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