界面光熱水蒸發技術具有極高的能量轉換效率以及零碳排放的優點，在海水脫鹽、污水處理等領域具有很大的應用前景。

從設計結構上來說，傳統的界面光熱水蒸發系統通常由光熱材料表面、傳水通道和隔熱層3部分組成。對于二維平面水蒸發系統，這一巧妙的設計能夠通過隔熱層降低由光熱界面到水體的熱傳導損失，將光熱轉換的熱量集中于界面，用于高效水蒸發，這就極大地推動了領域的發展。

然而，當光熱蒸發器發展至三維結構的時候，受慣性思維的限制，很多三維光熱水蒸發體系直接照搬這種傳統設計，仍然利用絕熱層來阻隔蒸發表面和水體的能量交換。

但與二維蒸發面只從太陽光獲取能量不同的是，三維蒸發器還可以從空氣和水中獲取額外能量用于促進蒸發。在這種情況下，完全地隔絕水體和蒸發界面的能量傳遞會讓從水中吸收能量的過程受阻，并不利于蒸發最大化。

基于此，南澳大學未來工業研究院徐浩蘭教授課題組重新對三維蒸發器進行了設計，使用了高導熱材料來代替隔熱材料連接蒸發表面和水體。室內和戶外測試均證實，通過使用高導熱基底材料可以極大地提高蒸發性能。這個發現為設計3D光熱蒸發器提供了新的思路。

相關工作近期以“Enhancing solar steam generation using a highly thermally conductive evaporator support”為題發表在Science Bulletin。南澳大學博士生王藝達為論文的第一作者，徐浩蘭教授為通訊作者。

圖文解析

該工作重點在于研究在簡單的三維光熱水蒸發體系中，分別利用絕熱和高導熱材料來支撐蒸發表面所引起的蒸發速率差別，以及其產生的深層次機理。不同于二維光熱水蒸發體系，三維結構不但能夠從上表面吸收陽光進行光熱蒸發，還能夠利用無光照的側面進行冷蒸發。正是由于冷蒸發表面的引入，三維體系能夠實現從空氣及水中吸收能量，從而使蒸發速率最大化。從圖1能夠看出，在三維水蒸發體系中，當利用絕熱泡沫來支撐蒸發表面時，雖然能有效阻隔光熱界面的熱量損失到水體中，但是同時也阻礙了水體中的能量傳遞到蒸發表面。而利用高導熱金屬來支撐蒸發表面時，儲存在水體中的能量能夠有效地被吸取到蒸發表面，從而加大總能量的攝入。這一概念也被后續的實驗和理論模擬結果所證實。

圖1分別使用絕熱和高導熱材料作為支撐的三維界面光熱水蒸發體系中的能量傳遞過程。

該項研究中，實驗所采用的是最基本的圓柱形三維界面水蒸發體系。圖2展示了使用不同熱導率的支撐材料，蒸發面從水中吸收能量的差別，以及隨之帶來的總蒸發量的變化。為了能夠精準地監測水體溫度的變化，作者使用了一種絕熱罐體系來切斷水體和環境之間的能量交換，確保蒸發過程中水體只與蒸發體系進行能量交換。使用的支撐材料分別是EPE泡沫、鐵管和鋁管，它們分別對應低、中、高三種不同熱導率的材料。從平均蒸發速率的測試結果能夠看出，所使用支撐材料的熱導率越高，蒸發速率越快。使用高導熱鋁作為支撐材料時的蒸發速率是使用隔熱EPE泡沫時的147.7%。原因就是高熱導率的支撐層能夠大量且快速從水中吸收能量，并傳遞到冷蒸發表面來加速蒸發。直觀體現就是使用高熱導率的支撐材料時，蒸發過程中水體的溫度快速下降。

圖2利用低、中、高不同熱導率材料來支撐的三維蒸發體系的蒸發表現。

該研究中，作者主要從環境能量輸入以及理論模擬方面來研究不同熱導率支撐材料對蒸發體系的影響（圖3）。在蒸發過程中，作者對上表面和側面溫度進行了實時監測。從數據能夠看出，高熱導率支撐材料能夠降低上表面光熱蒸發溫度以及提升側面冷蒸發溫度，從而證明這一改變能夠減少上表面熱輻射和熱對流的能量損失，并大量地從水中提取能量到側蒸發表面。在此基礎上，作者對體系中的能量輸入進行了計算，結果證實了使用高熱導率支撐層的體系能夠從水中大量攝取能量，從而擴大體系總的能量輸入。以高導熱鋁作為支撐材料時，從水體中吸取的能量（0.66 W）甚至要大于入射光的能量（0.55 W）。從體系中的能量傳遞模擬結果也能夠看出，高導熱支撐材料能夠極大加快從水中吸收能量的速度。

圖3從環境能量輸入以及理論模擬入手，研究不同熱導率支撐材料對蒸發體系的影響。

圖4的實驗結果表明，高導熱層與蒸發面之間的接觸面積，對于從水中攝取能量有非常大的影響。兩者接觸面積越大，從水中吸收的能量就越多。在此基礎上，作者將高導熱層與蒸發面之間的接觸面積進一步擴大，從之前的只有側面與導熱層接觸增加到上表面及側面全部與導熱層接觸。實驗結果顯示，全接觸的體系蒸發速率較之前有了進一步擴大。主要原因除了從水中吸收能量增加外，高導熱層能夠快速地將光熱蒸發面的熱量傳遞至側面用于冷蒸發，使其光熱蒸發表面溫度大大降低（低于環境溫度），這樣不但消除了光熱蒸發面的能量損失，而且能夠從環境中攝入能量用于蒸發。另外為了進一步證明高導熱層三維蒸發體系在普通容器中也能夠適用，作者對比了相同的蒸發器分別在絕熱和普通容器中的蒸發表現。實驗結果表明在普通容器中的蒸發速率更快，其原因在于普通的非絕熱容器沒有隔絕水體與空氣中的能量交換，當蒸發體系從水中吸收能量后，水體可以從空氣中補充部分能量，從而維持一個相對較高的水體溫度，這也更有利于蒸發體系不斷從水中吸收能量來促進蒸發。

圖4分析從水中吸收能量的影響因素。

為了進一步探索高導熱支撐介質蒸發體系的實用性，作者在戶外分別進行了24小時不間斷監測和10天的長周期監測（圖5）。測試結果顯示，在各種天氣條件下，高導熱層體系的蒸發速率始終高于中、低導熱層體系的蒸發速率。這一結果證實了，利用高導熱材料作為三維蒸發體系的支撐材料，可以作為一種普適的策略廣泛應用于界面光熱水蒸發技術中以大大提高光熱蒸發速率。

圖5戶外蒸發測試結果。

結論與展望

上述結果充分證實了，在三維光熱水蒸發體系中，利用高導熱材料來連接水體和蒸發表面能夠實現蒸發速率的大幅度提升，其主要原因在于高導支撐材料能夠快速將水體中儲存的能量傳遞到蒸發表面處，并用于蒸發。如果照搬傳統二維光熱水蒸發體系的結構設計，利用絕熱層來隔絕水體和蒸發面之間的能量交換，將會嚴重阻礙從水中吸收能量這一過程。因此，打破慣性思維，將高導熱材料應用于三維界面光熱水蒸發體系對于這一領域的發展具有重要意義。這一工作的另一個重要發現就是在光熱蒸發過程中，水體是一個非常好的能量來源。在未來的工作中，研究人員可以通過設計更加新穎的三維結構，充分利用水體中的能量來加速光熱蒸發。