Nature Nanotechology：如何高效利用太阳能进行水汽蒸发

作为一种清洁能源——太阳能的有效利用一直是人们密切关注的研究领域。其中直接利用太阳能实现水的高效蒸发、海水淡化和盐分结晶是今年来的一个热门研究领域。通过新型的微纳米材料和结构的设计，研究人员提出了一些突破传统材料效能的方法。让我们来看看其中发表在一些高水平期刊上的典型案例。

Highly efficient solar vapour generation via hierarchically nanostructured gels (Nature Nanotechology 2018, 13(6): 489-495.)

摘要：太阳能蒸汽的产生是一种收集太阳能净化污染或盐水的有效方法。然而，水的蒸发要么受到太阳能利用效率低的影响，要么依赖复杂而昂贵的光浓缩附件。在这里，我们展示了一种基于聚乙烯醇(PVA)和聚吡咯(PPy)作为一个独立的太阳能蒸汽发生器的分等级纳米结构（HNG）。从太阳能吸收的能量可以就地利用来驱动PVA分子网络中包含的水的汽化，在那里水的蒸发受到水凝胶的骨架的促进。漂浮的HNG样品蒸发水的记录高速率为3.2 kg m−2 h−1，从1次太阳照射中吸收了94%的太阳能。这些性能是可以实现的，因为减少了在自然阳光下分子网蒸发的潜热。

图1.多级纳米结构高效蒸发材料的设计，原理示意图，实验和数值仿真结果

Highly efficient three-dimensional solar evaporator for high salinity desalination by localized crystallization (Nature Communications 2020, 11, 521.)

摘要：太阳能驱动的水蒸发代表了水净化/淡化的环保方法。然而，效率受到盐浓度和累积增加的限制。在这里，我们提出了一种基于仿生3D结构的能量重用策略。自发形成的水膜具有厚度不均匀性和温度梯度，可通过Marangoni效应充分利用输入能量，并导致局部盐结晶。太阳能驱动的水蒸发率为2.63 kg m-2 h-1，在一次阳光照射和高盐度（25 wt％NaCl）下，能效> 96％，在封闭系统中净化天然海水时，集水率达到1.72 kg m-2 h-1。结晶的盐可以自由地停留在3D蒸发器上，并且可以轻松去除。此外，由于盐内部的扩大的水膜，能源效率和水蒸发不受盐累积的影响，这表明了可持续和实际应用的潜力。

图2.仿生3D蒸发结构的设计，原理示意图，实验和数值仿真结果

A Bioinspired, Reusable, Paper-Based System for High-Performance Large-Scale Evaporation (Advanced Materials, 2015, 27(17): 2768-2774.)

摘要：基于仿生启发，通过将准备好的金纳米颗粒薄膜沉积在气流成网纸上，制成具有可重复使用的纸基纳米颗粒金膜。这种基于纸张的系统具有增强的表面粗糙度和低导热率，显示出更高的蒸发效率，放大潜力和经证实的可重复使用性。它也被证明可能在海水淡化中有用。

图3.滤纸复合结构蒸发器的的设计，原理示意图，实验和数值仿真结果对比

A hydrogel-based antifouling solar evaporator for highly efficient water desalination (Energy and Environmental Science, 2018, 11(8): 1985-1992.)

摘要：太阳能脱盐是一种很有前途的大规模水处理方法利用可持续能源净化。然而,目前高速率的太阳蒸发往往依赖于光的浓缩。由于自然阳光的扩散，通常导致日照能源供应不足。这里我们展示了一种基于水凝胶的太阳能利用系统能够以很高的速率产生水蒸汽。在1kw/m2 功率的阳光照射下能产生2.5 kg m-2 h-1的水蒸气。只是目前文献报道的最佳价值。如此高效的太阳能蒸发结构是由亲水聚合物框架(聚乙烯醇，PVA)和太阳能吸收剂(还原氧化石墨烯，还原氧化石墨烯)组成的混合水凝胶体系，其内部有毛细管通道。PVA可以大大促进水的蒸发，这是由于水凝胶中的网络降低了蒸发焓。还原氧化石墨烯贯穿于聚合物网络使之成高效吸收太阳能。毛细管通道维持着产生连续蒸汽需要的充足供水。这种以水凝胶为基础的太阳能蒸发器也显示出了很有前途的防污性能，使长期的海水淡化无需循环。高效的水凝胶太阳能蒸汽发生器为增强太阳能提供了重要的可能性。

图4.水凝胶多孔高效蒸发材料的设计，原理示意图，实验和数值仿真结果

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时间地点：

2020年08月15-16日 上海·复旦大学

2020年09月19-20日 北京·中科院物理所

2020年09月26-27日 广州·华南师范大学

注册费用：

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团报价：2795元/人（3人及以上）

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培训当天可刷公务卡或现金或微信支付，请扫码填写报名信息以便我们提前为您准备发票等报销手续

Q：有限元仿真模拟对我的论文有怎样的帮助，真的能提高文章档次吗？

A：对于一部分的研究领域，例如人工超材料，理论上的模拟计算可以说是必不可少的。而对于更多的研究领域，模拟计算可以作为实验的补充，能进一步验证实验的结论，提高结论的说服力。理论模拟丰富了文章的内容，在工作量上也使文章更充实。另外模拟计算很多时候可以优化实验设计，提高实验效率。

Q：我是零基础学员，两天的时间也能学会吗？

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Q：什么专业方向都可以做有限元模拟吗？

A：有限元方法是一种一般性的数值计算的方法，用来求解各种偏微分方程，理论上只要是能用偏微分方程描述的物理化学过程都可以都用有限元方法求解。有限元不仅在各个物理学科和工程领域这些传统领域有广泛的应用，而且现在越来越多的运用到交叉学科的研究中，例如柔性传感器件，能源器件，生物工程，微流控等等几乎目前所有的热门研究领域。

Q：每场培训有多少学员呀？不会是那种人山人海的大课吧？

A：为保证教学质量，也为学员营造舒适的学习环境，我们每场培训都会将招生人数限制在30人以内，以保证良好的课堂秩序，同时安排助教协助学员进行软件安装、现场答疑、课堂辅助教学等。

Q：我是慢热型的学生，接受新知识慢，一次学不够怎么办？

A：老学员可以免费复听，一次报名终身免费复学，只要你学不够，我们就一直教下去～

Q：可以开具发票进行报销吗？

A：当然可以！我们将为学员开具正规发票，并可以根据学员报销需求提供培训邀请函、项目明细清单、会议注册表等材料，并在培训当天将发票和报销材料发放给学员。

Q：培训提供食宿吗？

A：我们为学员提供两日培训的午餐，住宿需要学员自费，我们会在报名确认邮件中发送周边酒店信息，方便学员选择和预定。老学员复听不再重复安排午餐和资料，带着身份证现场签到即可。