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第一作者：王艺达
通讯作者：徐浩兰
通讯单位：南澳大学
论文DOI：10.1016/j.nanoen.2020.105477
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在这个工作中，作者以多孔纤维海绵（CS）为基底，还原氧化石墨烯为（rGO）光吸收材料，设计并制备了一种可在2D-3D结构之间可逆转换的光热蒸发器。这种新型的蒸发器能够在不增加材料消耗的情况下，由 2D 平面形态转变为3D螺旋形态，大大增加蒸发面积，从环境中吸取额外能量从而实现更高的蒸发速率。特别是当环境中有空气流动时，转换后的3D螺旋结构能够更好的利用空气流动快速降低其周围和内部湿度，增加其外表面蒸发速率并激活内部蒸发表面，使其蒸发速率极大的提高（4.35 kg m-2 h-1 ），约为同条件下（1个太阳度和4米/秒气流流速）的2D结构的185%。另外，在不使用的情况下，这种3D螺旋结构也能够转换回2D平面结构，这样更节约空间，便于储存。
背景介绍
随着人口的增长和工业的不断发展，淡水资源短缺的问题日渐凸显。界面光热水蒸发作为一种新型的绿色可持续的水处理手段，在近年来被广泛关注。目前，研究的焦点主要集中在提高光热材料的光吸收率和转换效率以及减少光热蒸发过程中的能量损耗，进而实现快速高效的界面光热水蒸发。但是，随着各项研究日渐深入，已经很难再从以上方面进行突破。于是，研究人员开始设计并制作新型的3D光热蒸发器，通过增加总蒸发面积及从环境中摄取额外能量来提高单位面积的蒸发速率。然而，与传统的2D光热蒸发器相比，制备3D结构的光热蒸发器往往会耗费更多的光热材料，增加材料成本，会对之后大规模的工业化应用形成阻碍。因此，尽可能减少3D结构蒸发器制备过程中的材料消耗同时又能兼顾高效的光热蒸发具有重要的现实意义。
风能，与太阳能相似，也是一种取之不尽，用之不竭的清洁能源。作为一种空气流动形式，气流能够有效的带走蒸发出的蒸汽，降低蒸发环境湿度，极大促进持续的高效水蒸发。因此，设计一种能够合理利用空太阳光和空气流动的光热水蒸发器，对最大化光热蒸发速率具有重要意义。这项工作，主要围绕以上两点，从结构设计入手，制备了一种2D-3D可逆转换的光热蒸发器，并详细研究了蒸发器的光热蒸发性能和空气流动蒸发性能。这种低材料消耗的复合功能光热蒸发器的设计，为今后的光热蒸发水处理提供了一条新的思路。
本文亮点
用制备2D光热蒸发器件的材料消耗，实现3D蒸发器的蒸发速率。通过将2D结构转换成3D结构进行光热蒸发，能够更好地优化光热蒸发过程中的供水-蒸发平衡，增加总蒸发面积，更好地利用环境能量和气流使总蒸发量极大提高。与此同时，3D转换回2D结构能节约空间，便于储存。
图文解析
图1描述了2D-3D结构转换蒸发器的设计制备过程，以及rGO-CS的物理形貌表征。图中显示作为光热材料的层状rGO纳米片的大小约为600-1000 nm。通过硅藻酸纳凝胶化将rGO纳米片均匀地负载到CS基底上，形成rGO-CS光热材料。CS作为亲水的多孔结构，能够快速的通过毛细管作用将水传输至光热蒸发表面，rGO作为出色的光吸收材料，能够有效将入射光转换成热能进行光热蒸发。经过裁剪的2D平面结构的rGO-CS能够通过直接拉伸转换为3D的螺旋结构。
图1. （a）2D-3D结构转换蒸发器的设计制备过程，（b）（c）rGO的TEM和SEM表征，（d）（e）rGO的XPS表征，（f）（g）和（h）（i）CS和rGO-CS的SEM表征。
图2首先介绍了2D平面结构的供水过程为快速的二维扩散式供水，这种供水模式容易造成蒸发表面含水量过高，从而导致蒸发效率降低，而3D螺旋结构的供水模式则为一维螺旋供水，这种供水模式能让蒸发表面的供水-蒸发始终维持平衡状态，有利于提高蒸发效率。同时，3D结构具有更大的蒸发面积包括暗蒸发面积，可以从环境中吸取额外能量用于蒸发，也能更有效的利用气流来增加蒸发。通过对不同光强和气流流速条件下的蒸发速率测试，发现3D螺旋结构在一个太阳强度和无气流条件下的蒸发速率（1.56 kg m-2 h-1）比2D蒸发结构（1.24 kg m-2 h-1）高出25.8%，而在4米/秒的气流下（一个太阳强度），3D结构的蒸发速率（4.35 kg m-2 h-1）比同条件下的2D结构（2.34 kg m-2 h-1）高出85.9%。实验结果证实结构转换后的3D螺旋蒸发器能够带来更快的蒸发速率，并且这种结构的蒸发速率在有气流存在的情况下提高更明显。而这种提高，无需增加材料用量，只需简单的对蒸发器结构进行变换。
图2. （a）供水通道机理示意图，（b）蒸发实验中1个太阳光强位置，（c）（d）（e）不同光照和风速条件下，2D平面结构和3D螺旋结构的蒸发速率。
图3对光热蒸发过程中，2D和3D蒸发器附近的气流分布以及湿度分布进行了模拟。从图中可以明显地看到，对于2D平面结构，气流只能经过其上表面，而在3D螺旋结构中，气流能够流入其结构内部，对其上表面及新产生的侧面，下表面和内部蒸发表面都产生影响。通过对比3D螺旋结构在无气流和4m/s气流条件下的湿度分布，能够清晰看出空气流动能够有效降低3D螺旋结构外部和内部的湿度，从而全面激活其蒸发表面，极大地加速光热蒸发。
图3. （a）（b）（c）和（d）（e）（f）4 m/s气流流速情况下，2D平面结构和3D螺旋结构附近的流速分布，（g）（h）和（i）（j）0 m/s和4 m/s风速情况下， 3D螺旋结构附近的湿度分布。
图4研究了3D螺旋蒸发器对于海水和不同种类污水的处理能力。实验结果显示，对于海水淡化，这一蒸发器能够有效降低海水中的主要离子浓度 （Na <25 ppm），净化后的水质远高于WHO可饮用水标准。对于重金属离子污水处理，蒸发器处理后的水质也能够达到WHO 的相关标准。对于有机染料污水，净化后的水不再具有有机基团的特征。因此，这种蒸发器具有很高的实际使用价值，具备大规模应用的潜力。
图4. （a）通过3D螺旋光热蒸发器处理海水和不同种类污水，（b）净化水回收装置示意图，（c）（d）（e）（f）3D螺旋蒸发器处理海水和不同种类污水的数据表征。
总结与展望
这一工作突破了现有思路，制备了一种2D-3D可逆转换的光热蒸发器，通过简单的2D平面到3D螺旋结构的转换，在材料体积和质量不变的情况下，光热蒸发速率得到了显著提高，尤其是在有空气流动的条件下，3D螺旋结构能充分利用空气流动，将蒸发速率提高85.9%。实验数据和理论模拟都证实了这种3D结构具有更好的蒸发表现。与此同时，通过不同种类水处理的研究，能够证明这种蒸发器能够实现高效优质的水净化，具有很大的应用潜力。
作者介绍
南澳大学徐浩兰副教授为论文的通讯作者，博士生王艺达为本文的第一作者。该工作得到了澳大利亚研究理事会，中国国家留学基金委奖学金，南澳大学基础研究序列基金以及黑龙江省华升石墨股份有限公司的大力支持。
文献来源
Yida Wang, Xuan Wu, Ting Gao, et al, Same Materials, Bigger Output: A Reversibly Transformable 2D-3D Photothermal Evaporator for Highly Efficient Solar Steam Generation, Nano Energy 79 (2021) 105477.
