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 利用太陽光驅(qū)動水蒸發(fā)獲取清潔飲用水，有望作為一種應(yīng)急手段，用在海難或野外求生等情況下。相對于自然蒸發(fā)過程和傳統(tǒng)膜分離技術(shù)，將具有良好光熱轉(zhuǎn)化能力的光熱膜應(yīng)用到太陽光驅(qū)動水蒸發(fā)體系中，可以有效提高蒸發(fā)效率。中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所研究員江河清帶領(lǐng)的膜分離與催化研究組前期利用不同納米碳材料的復(fù)合策略，對2D光熱膜表面微結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，顯著提高了水蒸發(fā)效率（J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 963-971）。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊近期進(jìn)一步進(jìn)行了空心錐形光熱膜的研究，利用其獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)，通過改善光熱膜體系的傳質(zhì)和傳熱性能，獲得了更高的光熱水蒸發(fā)效率（J. Mater. Chem. A, 2018,6, 9874-9881）。

　　受收集聲波耳廓結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，并借鑒太陽灶結(jié)構(gòu)，膜分離與催化研究組王玉超和江河清設(shè)計了具有宏觀尺寸的3D空心錐形光熱膜，其光熱轉(zhuǎn)化效率超過93%，超過了常見2D平面膜水蒸發(fā)速率的極限值。對膠州灣實(shí)際海水的測試表明，3D空心錐形光熱膜不僅表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，同時其蒸發(fā)效率是自然蒸發(fā)的3.5倍。在蒸發(fā)過程中鹽會在錐形卷筒上層析出，不會覆蓋整個光熱膜，這不僅有助于鹽的富集回收，同時可以保持光熱性能的穩(wěn)定。詳細(xì)研究表明3D空心錐形光熱膜超高光熱蒸發(fā)性能主要是通過三個方面實(shí)現(xiàn)：（1）特定的幾何外形可以將光線限域在錐形卷筒內(nèi)部，通過光的多步反射，實(shí)現(xiàn)光熱卷筒對太陽光的高效吸收，平均吸光率超過99%；（2）3D空心錐形卷筒不需要借助額外的隔熱材料降低向水體中的熱流失，也不需要借助其他材料進(jìn)行水的傳導(dǎo)，而是通過改變卷筒在水中的高度，調(diào)控與水的接觸面積，減少熱量流失，實(shí)現(xiàn)理想的蒸發(fā)界面限域加熱；（3）3D光熱錐形卷筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計使實(shí)際蒸發(fā)面積不同于太陽光的輻照面積，顯著增大了實(shí)際蒸發(fā)面積。該工作為3D光熱膜的開發(fā)設(shè)計提供了實(shí)驗基礎(chǔ)，有望推動太陽光驅(qū)動海水淡化技術(shù)的快速發(fā)展。

　　上述研究工作獲得了國家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金及青島市民生科技計劃項目的支持。相關(guān)研究結(jié)果作為封面文章發(fā)表于Journal of Materials Chemistry A (2018, 6, 9874-9881)。

圖1. 聚吡咯基3D空心錐形光熱膜的制備示意圖

圖2. 3D空心錐形膜與2D平面膜樣品的漫反射性能對比（a）及吸光率對比（b），多步反射過程示意圖（c）