太阳能驱动的界面水蒸发具有节能性、水处理成本低等诸多优点，基于光热材料的界面蒸发器通常依靠其自身特殊的多孔结构且比表面积大，能够与水体紧密接触，充分利用太阳能，使其成为研究热点。 此外，对界面蒸发器采用亲水涂层或位点修饰的光热材料，也能调控水的分子状态，提升水蒸气产生与效率。然而，就特定的光热材料和体系而言，水蒸气扩散速率严重受到光热材料中孔隙的变化的影响，分布不均及孔径不一的孔隙结构与蒸发水分子之间形成强大粘滞力，这严重阻碍太阳能蒸发器的效率。为了应对上述挑战，研究人员主要集中在构建与制备各种结构化多孔光热材料。然而，设计的孔结构是随机的，缺乏有力的理论指导。由于流体粘滞力的存在，流体会沿通道表面形成流速梯度，形成所谓的扩散边界层，产生边界层抑制效应，阻碍水蒸气扩散，降低蒸发效率。特别是，由于扭曲通道和不均匀孔径分布等因素引起的强大粘性力，随机交联孔隙中的边界层厚度显著增大。因此，亟需消除严重的边界层抑制效应是进一步提高太阳能蒸发器产水能力的有效途径及当前发展的迫切需求。
针对上述问题，中科院苏州纳米所蔺洪振团队联合江苏省农科院肖清波团队、成都大学陈瑜团队以及德国卡尔斯鲁厄理工学院电化学研究中心王健博士，从如何消除受限水蒸发边界层效应的角度，提出了低曲折度多孔蒸发器 (LTPE)，以突破长期存在的蒸汽扩散限制。在该设计中，结合理论模拟，所构筑的多孔结构可以有效地消除长距离有序低曲折通道中的扩散边界层厚度，从而能够以低扩散阻力提高蒸发速率。因此，LTPE 的蒸汽扩散速度比传统材料快 260%，在 4.0 m s-1的流速及一个太阳光强度下，水分蒸发率达到创纪录的 16.8 Kg m-2 h-1。 此外，3D 结构径向互连通道还可以在任意太阳照射和对流下实现稳定快速的水蒸发，显著提升了室外废水处理能力。
图1. 流体在孔道扩散存在的边界层效应的结构示例图
图2. 理论模拟比较不同结构通道边界层抑制效果
图3. LTPE 低曲折通道的物化性质表征。
图4. 消除低曲折通道中的边界层重叠以增强的蒸汽扩散的研究。
图5. 模拟废水处理的LTPE的水分蒸发稳定性的性能研究
相关工作以Improving Solar Vapor Generation by Eliminating the Boundary Layer Inhibition Effect of Evaporator Pores为题发表在ACS Energy Letter上。通讯作者为王健博士、陈瑜教授、蔺洪振研究员以及肖清波研究员。该工作得到了国家自然科学基金面上项目、江苏省自然科学基金、国家重点研发计划等项目资助。
