利用太阳能进行海水淡化具有重大的应用前景。为提高海水淡化速率和提高能源利用效率，研究人员提出了利用新型光热转换材料降低热损耗、构筑有效的水/蒸汽传输界面，以及提高光热转换材料的耐用性等策略。然而，目前的海水淡化装置能耗较高，海水淡化的效率、耐久性均有待提高，尤其是盐度升高后的持续淡化仍然是一个巨大挑战。
最近，在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的大力支持下，中科院化学所绿色印刷重点实验室科研人员在前期构建的快速连续3D打印体系（Research, 2018, 2018, 4795604）基础上，研究人员与美国麻省理工学院的Nicholas Fang教授课题组合作，利用3D打印技术构造了三维锥形不对称结构蒸发体系，在高盐度下实现了高效太阳能利用和高速水蒸发。为实现高效的光热转换和海水蒸发，通过有效热管理实现高效水传输和蒸发至关重要。研究表明：所设计的3D锥形结构表面可以束缚梯度厚度的水膜，同时3D蒸发器的不同高度对太阳光的吸收不同，导致水的蒸发存在蒸发梯度，主要的蒸发位点为3D结构的顶部，因此水膜沿3D结构的侧壁呈现温度梯度，并由于马兰戈尼效应使水流向更快的蒸发区域，从而显著提高水蒸发速率和能量的利用效率。高盐度水蒸发时，水膜厚度梯度和蒸发场梯度导致3D结构表面存在盐的浓度梯度和顶部盐结晶特征，结晶的盐很容易去除，因而可以连续工作。该系统的海水淡化速率达1.72 kg m-2 h-1，有很强的应用前景。该研究成果近日发表于Nat. Commun., 2020, 11, 521上，通讯作者是宋延林研究员，第一作者是吴磊博士。
图1. 3D蒸发器的制备，3D蒸发梯度及顶部盐结晶性质
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