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  淡水匱乏已經(jīng)成為一個日益嚴重的全球性問題，世界上相當一部分人口正經(jīng)歷淡水短缺危機，如何有效地獲取淡水資源對緩解淡水資源危機具有十分重要的意義。其中，基于太陽能光-熱蒸發(fā)收集淡水的方式具有綠色環(huán)保的特點，受到大家的廣泛關(guān)注。然而該方式面臨著光-熱蒸發(fā)效率與淡水收集效率不匹配，以及夜間無法獲得淡水等問題。

  基于此，中南大學能源科學與工程學院陳梅潔副教授團隊提出了一種全天候淡水收集技術(shù)。采用多孔陣列結(jié)構(gòu)的選擇性吸收涂層作為蒸發(fā)端，減少輻射熱損失，提高其光-熱轉(zhuǎn)換效率；蒸發(fā)端與水體間采用吸水棉柱輸送水，類似中空結(jié)構(gòu)可其減少其向水體下方的熱傳導(dǎo)損失，提高其蒸發(fā)效率。此外，將透明聚合物作為冷凝端，利用較高的中紅外發(fā)射率向外太空輻射散熱，加速冷凝速率，同時實現(xiàn)夜間從空氣中被動凝水，從而實現(xiàn)全天候淡水收集，以應(yīng)用于熱帶沙漠地區(qū)的海水淡化和淡水采集領(lǐng)域。

  在蒸發(fā)端，光-熱選擇性吸收涂層能夠有效地減少熱輻射損失，具有較高的光-熱轉(zhuǎn)換效率，相比于傳統(tǒng)黑色多孔聚合物提高了35.7%。采用中空結(jié)構(gòu)減少熱傳導(dǎo)損失，利用導(dǎo)熱系數(shù)較低的空氣隔熱。通過優(yōu)化光-熱選擇性吸收涂層多孔陣列的孔徑和孔面積占比，優(yōu)化了蒸發(fā)面積，使日間蒸發(fā)率達到1.23 kg m^-2 h^-1，相比黑色多孔聚合物提升較為明顯。

  在冷凝方面，透明輻射制冷聚合物（PDMS）作為冷凝端，具有較高的太陽光透射率和中紅外輻射率，可以有效地將冷凝段熱量散射到環(huán)境中。Plasma處理可以加強PDMS聚合物的親水性，將其接觸角調(diào)至69°，通過優(yōu)化冷凝端的親疏水性提高蒸汽冷凝收集速率。通過數(shù)值模擬計算得出，冷凝端冷凝速率理論上可達0.044 kg m^-2 h^-1。

  戶外實驗結(jié)果顯示，全天候淡水收集量可以達到0.87 kg m^-2，其中日間占比~ 80%，夜間占比~ 20%。冷凝端水滴脫落問題、云量的不穩(wěn)定問題是限制該裝置戶外性能的因素，可以考慮加大傾斜角、設(shè)計蒸發(fā)端和冷凝端分離的結(jié)構(gòu)等加以優(yōu)化。該淡水收集方式能產(chǎn)生大量的淡水，日間充分利用太陽輻射，夜間從空氣中被動冷凝水分，在海水淡化以及熱帶沙漠地區(qū)的淡水收集領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。

  以上研究成果以“All-day freshwater harvesting by selective solar absorption and radiative cooling”為題發(fā)表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上，該論文共同第一作者為本科生席志遠和研究生李爽，通訊作者為陳梅潔副教授。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c05409