Page 12 - 《精细化工》2022年第10期

·1946· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 39 卷

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点同样不能忽视 。天然矿物材料的热稳定性较好、 1 太阳能驱动界面蒸汽-发电的原理
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热导低，但耐盐性较差 。聚合物材料具有制备方
法可控，物理化学性质稳定，孔隙结构可调的优势， “空气-水”界面处的蒸发过程是发电的潜在动
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但制备工艺较复杂 。金属-半导体材料的光吸收带 力。PMs 中的光吸收层通过捕获太阳能获取的热量，
隙较宽，材料表面温升速度快且高，具有优异的光 水体受太阳能界面蒸发的驱动力影响，会在 PMs 及
热转换效果，但成本高、易氧化、循环稳定性相对 蒸发体系内发生局部的激烈运动，使 SIE 进行光热
较差 [10] 。基于各类 PMs 的优缺点，研究者们针对 转化的同时进行发电。研究者对水流动和蒸发过程
PMs 的宏观形貌结构进行了优化，具体可将 PMs 分 的探索有望为水和能源危机提供有价值的解决方
为 2D 与 3D 结构 [11] 、Janus 结构 [12] 、分层结构 [13-14] 、 案。为了提高太阳能蒸发-发电的效率，SIE 技术已
一体化结构 [15] 、阵列结构 [16] 、凹陷结构 [17] 等。其中， 结合了热电转换、机械能转化和盐度梯度等发电策
3D 结构通过增加光热材料的比表面积可以吸收材 略（图 1）。
料表面的多余能量，有利于降低蒸发界面与环境之
间的温度差，避免了热损失 [18] 。Janus 结构的疏水层
具有良好的抗污能力，而下面亲水层具有确保快速
和连续的供水毛细管的作用，这种结构有效避免了
疏水层的盐沉积，同时允许在对流的驱动下，盐在
亲水层上快速溶解 [19] 。分层结构蒸发器增加了光的
吸收、捕获和水的输送，可以显著提高光收集效率，
降低反射率和透射率 [20] 。一体化结构则无需借助其
他附件而仅用一个整体就满足了界面水蒸发对光热
吸收、水输送和热量调控的要求 [21] 。阵列结构中入
射光能够在蒸发器内进行多次反射和折射，提高光
吸收，通过同时增强蒸汽的生成和扩散来实现高速
率蒸发，在蒸汽逸出到空气中的同时极大地防止了
热量损失 [22] 。凹陷结构提高了材料的吸光度，可以
在结构内部存储更多的空气，具有超低导热率，蒸

发过程中形成了一个自下到上的温度梯度，引起马
兰戈尼效应，导致盐优先结晶在亲疏水界面上，可 图 1 太阳能驱动蒸汽界面蒸发的原理及应用
以减少因盐沉积而蒸发速率不稳定的问题 [23] 。随着 Fig. 1 Principle and application of solar driven steam
interface evaporation
PMs 的不断优化，更多的多功能型 PMs 不断涌现，
包括耐盐型 [24] 、抑菌-抑藻型 [25] 、防油污型 [26] 、盐 1.1 温差发电效应
类收割型 [27] 等，它们结合了制备方法简单化、拓展 1.1.1 热电效应
性强、成本低、可回收等特点，使 SIE 的应用领域 热电效应是指因温度梯度的影响，金属或半导
越来越广。尤其在 SIE 协同发电方面的应用拓展， 体材料中的电子由高温区向低温区移动，而空穴由
已成为解决淡水资源短缺和能源危机的一项远景技 低温区向高温区移动，此过程所产生的电流或电荷
术。SIE 协同发电是由于 PMs 受太阳能的驱动，在 堆积的一种现象。PMs 在蒸发过程中，会在“空气-
进行海水淡化的同时，引起界面与水体间产生浓度 水”界面处产生局部高温，并在蒸发体系内产生明
差和温度差等，以实现水电联产。目前，研究者们 显的温度梯度，根据热电效应，蒸发体系的冷-热两
将机械、温度-盐度梯度等发电技术与 SIE 融合 [28-29] ， 端之间能够产生电压。但由于蒸发体系内所产生的
提升了太阳能海水淡化系统的能量利用效率和功能 温差有限、发电量十分微弱。基于塞贝克效应，学
性。然而，SIE 协同发电在实际应用中的性能仍然 者们在商用的热电装置上负载超薄的光热材料组成
不能令人满意。针对 SIE 协同发电技术客观存在的 热电模块，用来实现 SIE 协同发电。XU 等 [29] 基于
问题，本文在前人研究的基础上，梳理 SIE 协同发 碳布设计了一个柔性纳米复合材料的宽带太阳能吸
电的发展现状，探讨 SIE 协同发电的工作原理与装 收器，用于高效的太阳能界面蒸发协同发电，该装
置设计形式，总结 SIE 协同发电技术的设计壁垒并 置由一个热电（TE）模块和一个太阳能界面蒸发器
展望其发展前景，为实现 SIE 协同发电的应用推广 组成。热电模块以下的温度接近整体水温，在太阳
提供理论指导和技术支持。 照射下，与模块以上的温度形成明显的温差，产生