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成果簡介

近日，成都理工大學李小可&浙江海洋大學周英棠教授合作，在材料頂級期刊《Advanced Functional Materials》(IF= 18.5)發表了題為“Less is More: Reducing Evaporation Dead Zones to Tune Thermal Convection in Donut-Structure Evaporators for High-Efficiency Interfacial Solar Steam Generation ”的研究論文。在這項研究中，研究人員首先通過COMSOL模擬探究了合理的結構設計對于界面熱分布和熱對流的影響。然后通過3D打印模具，制備了一種甜甜圈結構的水凝膠蒸發器，進一步驗證界面熱對流在增強界面蒸發性能方面的關鍵作用。研究發現，移除蒸發器中心的“蒸發死區”后可優化界面熱分布和空氣對流，從而顯著提升蒸發性能。模擬和實驗結果表明，優化后的蒸發器（PTMC-3）蒸發速率達到3.47 kg·m?2·h?1，比傳統設計高出66%，同時材料使用量減少12.7%。通過在更少材料使用的同時達到較高的蒸發率，這種方法為有效的太陽能脫鹽提供了新的視角。

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研究背景

隨著全球水資源短缺問題的加劇，開發高效、可持續的水處理技術成為了亟待解決的問題。傳統海水淡化技術因高能耗和高成本面臨挑戰。近年來，界面太陽能蒸汽生成（ISSG）技術憑借其高效能量轉換和環境友好性成為研究熱點。迄今為止，已經開發了各種光熱材料來增強蒸發性能，并且基于這些材料的不同特征，學者還設計了具有不同結構的蒸發器。例如仿生結構，幾何拓撲結構，Janus結構等。這些基本研究揭示了設計高質量ISSG蒸發器的原理：1）有效的光熱轉化效率，2）足夠及時的供水，3）有限的熱傳遞或最小化的熱量損失，以及4）較低的蒸發焓。但是，這些策略的實施似乎已經達到了瓶頸，它們的優化或組合已無法進一步提高蒸發率或效率。實際上，提高蒸發率的最直接方法是通過在材料表面上方加強熱對流，這解釋了為什么吹風機可以快速干燥濕的頭發或衣服。在我們先前的研究中，我們通過材料和結構設計增強了界面光熱催化系統中的表面熱對流，從而提高了蒸發速率和催化效率。然而，通過大規模合理結構設計來增強界面蒸發率的熱對流的關鍵作用尚未被重新評估，其背后的機制仍然不清楚。

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圖文導讀

圖1：不同內外徑比蒸發器的溫度、對流和濕度模擬

圖2：甜甜圈結構水凝膠蒸發器的制備與表征

圖3：蒸發性能測試

圖4：抗鹽性能測試

圖5：戶外實驗

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作者簡介

李小可，成都理工大學副教授，碩士生導師，西安交通大學博士后，主要從事太陽能光熱轉換與太陽能熱利用技術相關領域的研究，截止目前共發表SCI論文及中文核心期刊論文70余篇，總他引次數超過2000次，H指數為15，并有多篇論文入選ESI熱點論文和高被引論文，連續三年入選全球前2%頂尖科學家(2022，2023，2024)。郵箱：xiaokeli319@126.com

周英棠，浙江海洋大學教授/博士生導師。研究方向為高通量多元檢測技術，光熱材料在腫瘤治療，海水淡化及水處理的研究。近三年以通訊作者在Prog Mater Sci., Nat.Commun., Adv. Mater., Angew Chem, Adv. Energy Mater., Coordin. Chem. Rev., Adv.Functional Mater., Nano Energy, ACS Nano, Applied Cata. B. Env.等高水平期刊發表論文100余篇。中國自然資源部海洋環境試點城市項目委員會成員，中國醫療器械學會浙江分會青委會副秘書長。郵箱：zhouyingtang@zjou.edu.cn

李金池，成都理工大學材料與化學化工學院2023級碩士研究生。郵箱：lijinchi2002@163.com

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https://doi.org/10.1002/adfm.202504502