蒸發，凝聚，富集是天然香料提取中經常發生的物態變化。受此啟發，通過界面材料和富集構型的設計，有望提高太陽能利用率，提升海水凈化能力。近日，香料香精化妝品學部胡靜教授團隊在太陽能驅動光熱界面蒸發研究領域完成研究成果，并發表在納米材料領域旗艦期刊《Small》（影響因子15.153）。

該研究工作以超親水泡沫銅為基材，從三維結構設計入手，開發了一種分級三維倒錐形太陽能蒸發器，其具有氧化銅與氧化石墨烯協同的微納米結構，可通過簡單的化學氧化、物理沉積和室溫干燥等技術制備。該蒸發器能夠實現高效太陽能吸收、連續液膜輸送以及無阻礙蒸汽擴散的同時，其獨特的分層結構賦予蒸發系統優異的保溫性能，為實現高效太陽能原位局域蒸發提供了新思路，具有良好的應用前景。

圖1.吸收原理、蒸發器、3D倒錐形太陽能蒸發器的制備工藝和特性示意圖。(a)蒸發器示意圖。(b)蒸發系統示意圖。(c)超親水表面制備工藝。(d-f)SHiCF、SHiCF-GO-2.5和SHiCF-GO-3.0的掃描電鏡圖。(g)SHiCF-GO-2.5的FTIR圖譜。(h)SHiCF-GO-2.5的Raman圖譜。(i)表面在紫外光、可見光和紅外線波長范圍內的吸收光譜

太陽能驅動海水淡化為解決全球淡水短缺問題提供了新方法。為使太陽能蒸發器的效率更接近其熱力學極限，先進材料性能和結構的協同作用在太陽能界面的優化設計和能量利用效率最大化中起著至關重要的作用。針對傳統體蒸發系統存在能量轉換效率低、響應速度慢等問題，研究團隊從三維結構設計入手，提出將超親水多孔結構和功能化碳基顆粒的優勢集于一身。如圖1所示，經氧化石墨烯沉積后的超親水泡沫銅骨架表面具有粗糙的片狀微納米結構。照射至表面的太陽入射光在微觀表面形貌及宏觀三維腔體結構的協同作用下進行多次漫反射和光陷阱吸收，使該表面具備極高的太陽光吸收率。

圖2.毛細管效應表征。(a)傾斜SHiCF-GO、SHiCF蒸發器和無塵紙包覆的蒸發器的毛細上升特性。(b)毛細上升高度隨時間的變化關系。(c)水輸送以及蒸汽擴散的協同作用示意圖。(d)限制蒸汽擴散方式示意圖

無塵紙和超親水骨架作為水輸送路徑，推動液體分子沿骨架連續攀升，繼而向界面擴散，以補充相變蒸發的水。如圖2所示，水分子在骨架周圍聚集形成超薄水層，而不是填充在多孔結構的通孔內，既可以防止太陽能加熱多余的水，又可以暴露盡可能多的蒸發面積，增加水蒸氣擴散的路徑。

圖3.蒸發性能。(a)水的質量變化。(b)不同配置蒸發器的蒸發速率。(c)雙層蒸汽擴散路徑、無塵紙蒸汽擴散路徑和SHiCF-GO蒸汽擴散路徑的蒸發率。(d)本工作中以及文獻中報道的蒸發器性能對比

圖4.三維太陽能蒸發器的能量平衡和熱損失圖

該研究通過對比九組不同配置的蒸發系統蒸發率得出一倍太陽光強下SHiCF-GO-2.5蒸發器的最大蒸發速率為1.71 kg?m?2?h?1，能量利用效率高達93%，其蒸發性能在近期報道的太陽能蒸發器中處于較高水平。基于局域光熱轉換的錐形太陽能界面蒸發設計將能量轉換集中在蒸發界面，通過在太陽能光熱轉換材料、界面蒸發結構、系統絕熱設計等方面的協同創新，大幅提升了系統的蒸發速率和能量利用效率。該研究為太陽能驅動光熱蒸發提供了一種有效途徑，可作為從海水中提取淡水以及污水凈化的潛在候選者。

胡靜教授，現任香料香精化妝品學部副主任，先后榮獲教育部“青年長江學者”（2020），上海市“曙光學者”（2019），上海市教育系統“三八紅旗手”（2018），上海市“最美教師”(2017)，上海市“青年拔尖人才”(2017),上海市青年“五四”獎章(2015)，上海市“青年科技啟明星(A類)”(2014)，上海市“晨光學者”(2010)人才稱號。課題組從事香精香料緩控釋，氣味分子相互作用，潛香體合成與控釋等方向研究。課題組致力于完善青年教師與研究生的科研環境，激發青年科研人員的創新能力。呂鳳勇老師是我校新進教師，為本文第一作者。香精香料技術與工程是一門以化學，材料，生物，食品等作為主要基礎的應用學科。該項研究成果在國際具有重要影響力期刊上的發表，反映了胡靜教授在學科交叉的構想設計上初步成效。