在過去的幾十年里,清潔水的消耗和生態系統的嚴重污染使人類面臨著前所未有的水資源危機。由于水和能源是相互交織的雙重挑戰，開發先進的綠色水處理技術是至關重要的。在諸多的水處理技術中，直接使用可再生能源是近些年來的重要發展方向。對于幾乎所有的水處理技術，如廢水處理、貴金屬回收和海鹽生產，產物輸出量都是實際應用中的關鍵指標，在蒸發過程中即為蒸發速率。
傳統多孔蒸發器蒸發過程的詳細研究發現蒸發速率是由相變和擴散兩個連續的步驟共同決定的。第一步是相變過程，水分子從蒸發器表面蒸發出來變成水蒸氣；第二步是擴散過程，水蒸氣從多孔結構擴散到大氣環境中。之前的大部分研究都集中在增加多孔蒸發器的蒸發表面，以最大限度地實現第一步的相變過程。然而，在傳統的多孔蒸發器中，如果是封閉的多孔結構，蒸發的第二步擴散通常會不充分，大量的蒸汽被限制在孔隙中擴散出不去，從而限制了蒸發速率(圖1A)。
因此，除了基本的光學和熱管理以及水輸運方面的設計外，設計多孔結構實現有效的相變和及時的蒸汽擴散是至關重要的(圖1B)。因此，多孔蒸發器的設計要滿足幾個關鍵的要求(圖1C)。首先，它應該有一個多孔結構，以提供充足的蒸發表面；這種多孔結構還應具有良好的親水性，以保證充足供水；最重要的是，結構內部的所有孔隙必須相互連通，以確保在自然對流的協助下可以實現有效的蒸汽擴散(圖1D)；最后，孔徑還需要優化，因為蒸發的表面積和有效擴散的空間之間需要達到平衡。
圖1. 傳統蒸發器和三維連通多孔蒸發器的水蒸發原理圖。(A) 傳統的蒸發器蒸發示意圖。有限封閉孔隙內的蒸汽的擴散很弱，蒸發面產生的蒸汽在封閉的孔隙內停滯，導致擴散和蒸發速率低。(B) 連通孔隙有效蒸發的示意圖。相互連通的多孔結構使得在對流的協助下蒸汽擴散充分。(C)示意圖展示了實現高蒸發速率的三維互聯多孔蒸發器的設計理念。它的三維結構需提供充分的蒸發表面、良好的親水性、和高效的光吸收。(D) 聯通多孔結構的微觀圖像，它確保了在自然對流下蒸汽的有效擴散。
成果簡介
近些年來，利用新能源驅動水蒸發的研究為實現低碳、環保水處理技術提供了一條新的路徑。由于水蒸發速率和水處理的產率直接相關，追求高的水蒸發速率是這個領域近些年來的研究熱點。要實現高效的蒸發，要求相變過程和擴散過程高效且匹配。過去，研究人員一般通過在微納米尺度精細設計蒸發器的材料和結構來提高蒸發器的水蒸發能力，水蒸氣的擴散（到環境中去）很大程度上限制了有效蒸發的進行，卻鮮有關注。
最近，南京大學的研究團隊設計了一種三維連通多孔碳泡沫作為蒸發器，在自然對流的輔助作用下，實現了高的蒸發速率與有效的蒸汽擴散的匹配，將蒸發速率提高到了10 kg m-2 h-1以上。相關成果發表在Cell Press旗下的能源旗艦期刊Joule 上，題為“Over 10 kg m-2 h-1 evaporation rate enabledby a 3D interconnected porous carbon-foam”。預期該研究可以為開發具有高處理能力、全天候運行、環境友好的水處理蒸發器提供新的設計思路，對推動蒸發水處理技術的產業化應用具有重要意義。
第一作者：李金磊，王雪旸，林振輝
通訊作者：朱嘉
通訊單位：固體微結構國家實驗室，現代工程與應用科學學院，江蘇人工功能材料重點實驗室，南京大學
研究亮點：
1. 設計了一種三維連通多孔碳泡沫作為蒸發器，將蒸發速率提高到了10 kg m-2 h-1以上。
2. 探究了孔徑，多孔結構的形態對蒸發速率的影響。
要點1：三維連通多孔碳泡沫（3D IPCF）的制備和表征
作者利用一種特殊的氣體協助膨脹穿孔工藝制備了一種三維連通多孔碳泡沫（3D IPCF）作為蒸發器。如圖2A所示，作者利用蔗糖和濃硫酸進行反應。在這一過程中，蔗糖發生脫水反應，形成的碳（C6H12O6→6C+6H2O）有著高的太陽光吸收率和極好的親水性。緊接著，部分碳與濃硫酸反應生成混合氣體（C+2H2SO4→CO2↑+4SO2↑+2H2O），由此產生了巨大的體積膨脹（高達700%）而形成了一個三維的結構。同時，由于內部產生的氣體趨向于向外逃逸，因此這些氣體在逃逸的過程中在三維結構上留下了從內到外相互連通的孔道結構。
如圖2B所示，制備好的IPCF呈現黑色，并且有著三維多孔結構。它的微觀結構如圖2C所示。它有著大量直徑從幾十微米到幾毫米的相互連通的孔道。正如前面所討論的，最關鍵的就是確保這些孔道的連通性。實驗發現，直徑小于2.5 um的顆粒能夠順利的通過這個結構（如圖2D所示）。因此，可以預期有著更小直徑的氣體分子必然能夠穿過這種三維(3D) IPCF。圖2F的XPS光譜證明了，經過碳化后，3D IPCF最主要的元素是碳、氧和硫。而3D IPCF中的親水基團，如C-O, C=O和CSOx，有助于為蒸發提供持續的水供應。圖2F顯示的快速的水滲入是其優秀親水性的直接證明。圖2G展示的3D IPCF的吸收光譜表明了這個結構能夠對標準太陽光譜（AM 1.5G）實現93%的吸收。
圖2.（A）3D IPCF的制備過程。濃硫酸將蔗糖碳化，產生的氣體會導致獨特的膨脹和穿孔。（B）3D IPCF的光學照片。比例尺為1cm。(C)3D IPCF的光學顯微鏡照片。相互連通的孔的尺寸在幾十微米到幾個毫米。（D）PM2.5能夠穿過3D IPCF，證明了它具有連通的孔道供氣體分子穿過。（E）3D IPCF的XPS能譜表明它由碳、氧和氮元素組成。(F)3D IPCF的接觸角測試表明其具有超親水特性，因為水滴迅速的滲入到了體內。（G）3D IPCF的吸收光譜。
要點3：研究3D IPCF蒸發性能和孔徑之間的關系
3D IPCF的多孔結構對對流協助的蒸汽擴散起到了關鍵作用。作者隨之研究了3D IPCF的孔徑大小對蒸發速率的影響。如圖3 A所示，作者發現，當沒有對流的協助作用，無論3D IPCF的孔徑大小，蒸發速率都只有約0.4 kg m-2 h-1（以投影面歸一化，下文亦然）。這是由于水蒸氣擴散不充分導致的。然而，在強度為2m s-1對流（和風）的協助下，平均孔徑大小為5.8（2.8）mm的3D IPCF的蒸發速率達到了5.6（4.6）kg m-2h-1。作為對照，在相同的對流強度下，孔徑大小分別為150 μm 和 350 μm的3D IPCF對應的蒸發速率只有 3.2 kg m-2 h-1和3.8 kgm-2 h-1。同樣的，在6m s-1的對流下（微風），有著越大的孔徑的3D IPCF實現了更高的蒸發速率。因此，相比于小孔徑3D IPCF，大孔徑的3D IPCF在對流的作用下擁有更有效的水蒸氣擴散效果。這與傳統的認識相悖，即認為理想的多孔蒸發體應該擁有小的孔徑以及高的比表面積，只有這樣才能夠獲得高的蒸發速率。因此，本文為設計多孔蒸發體提供了一個新的認知，即相比于追求高的比表面積，設計出來的結構能夠使得水相變過程和擴散過程合理的匹配才是最重要的。
緊接著，作者研究了3DIPCF在太陽光照下的蒸發行為，以此進一步證明上述的論證。如圖3B所示，當沒有對流時，不同孔徑的3D IPCF展現出相同的蒸發性能。在太陽光的作用下，蒸發速率達到了約2.5 kg m-2h-1，大于暗場下的蒸發速率約0.4 kg m-2 h-1。這個蒸發速率同樣高于二維蒸發體的理論極限蒸發速率（1.5-1.6 kg m-2 h-1），這是由于3D IPCF可以從環境中汲取一部分能量來促進蒸發。同樣的，相比于小孔徑的3DIPCF（~100μm），大孔徑的3D IPCF（~1 mm）實現了更高的蒸發速率。例如，在一個太陽以及2 m s-1和6 m s-1的對流下，平均孔徑為5.8mm的3D IPCF 達到了7.8 kg m-2h-1和10.9 kg m-2 h-1的蒸發速率，高于平均孔徑為150μm的3D IPCF（2m s-1和6m s-1下的蒸發速率分別為6.4 kg m-2h-1和7.6 kg m-2 h-1）。在本文中，作者還預期了通過進一步的優化相互連通多孔蒸發器的結構可以進一步大幅提升蒸發速率。
隨后作者通過理論模型對蒸發速率隨孔徑變化的微觀機制進行了研究。這個模型討論了兩個具有代表性的孔道直徑，分別是1 mm和100μm（孔道長度皆為400μm）。對流流動從左邊進入這些一維微孔道。孔道的上下壁面為蒸發表面。正如圖3C和3D所示，對于1 mm的孔徑，在輕微的對流作用下，上下蒸發壁面蒸發出的水蒸氣濃度場從嚴重的相互干擾（不利于水蒸氣擴散）變為了完全不相互干擾（水蒸氣充分擴散）。但是，對于小孔徑孔道（100μm），在相同的對流作用下，兩個壁面蒸發出的水蒸氣的濃度場干擾一直存在，預示著水蒸氣難以擴散（圖3E和3F）。為了定量反映水蒸氣的擴散程度，以及蒸發表面與對流之間的熱與物質的交換，作者定義了邊界層厚度，即蒸發孔道壁面與水蒸氣濃度下降到飽和蒸汽濃度的80%處（如圖3D所示）。由圖3G和3H可知，相比于小孔徑孔道，大孔徑孔道的邊界層厚度隨對流強度的增加下降的更快，預示著在大孔徑中水蒸氣的擴散更為有效。這些結果與之前的實驗結果相符合。
圖3.（A）蒸發速率和3D IPCF孔徑之間的依賴關系（無光照）。具有較大孔徑的3D IPCF可以實現更好的蒸汽擴散，從而實現了更高的蒸發速率。（B）在光照情況下，蒸發速率和3D IPCF孔徑之間的依賴關系。（C-F）蒸汽在微孔內的濃度分布。C和D中孔道直徑為1 mm，E和F的為100 μm，孔道的長度皆為400 μm。（G和H）1 mm 和 100 μm 孔道的蒸汽邊界層厚度和對流強度的關系。邊界層厚度的迅速降低表明蒸汽在大孔徑孔道中得到更好的逸散。
要點3：多孔結構的形貌和蒸發性能的關系
除了孔徑，多孔結構的形態在利用對流來增強蒸汽逸散方面也有很重要的作用。作者制備了兩種孔形態的三維氣凝膠進行了實驗驗證：一種具有垂直孔道（圖4A）、一種具有相互連通的孔道（圖4B）。這兩種結構的孔徑保持一致。如圖4C所示，前者由豎直的GO片層構成，在水平方向具有封閉的孔，因此阻礙對流的流過。與之形成對比的是，后者是由相互連接的多孔GO片層組成(圖4D)。對流可以從氣凝膠的相互連通的孔道中穿過。這些猜測可以利用PM2.5在這兩種結構中的不同穿透性來驗證（圖4E）。從圖4F中可以發現，具有相互連接孔的結構的氣凝膠的蒸發速率一直比具有垂直孔道的要高。因此，要實現高的蒸發速率，設計蒸發器的孔為相互連接的是非常重要的。
圖4.（A和B）具有垂孔道和相互連通管孔道的多孔結構（更優）被用作對比。左側是光學照片，右側是示意圖，比例尺為1 cm。(C 和D) 兩種多孔結構的SEM圖。左側是截面圖，右側是俯視圖。（E）兩種結構的PM2.5通過行為測試。（F）兩種結構的蒸發速率。相互連通孔結構比垂直孔道結構蒸發速率快。
要點4：3D IPCF的戶外蒸發性能和用于污水處理
隨后作者測試了大規模的3DIPCF的蒸發性能。測試裝置及測試條件展示在圖5A中。如圖5B所示，這個裝置在上午9:00到晚上22:00的十三個小時連續測試中實現了累計42.0 kg m-2 的水蒸發，展示出了這種3D IPCF很強的實際應用潛力。此外，這個裝置在白天的蒸發速率為2.3 到 6.1 kg m-2 h-1，在晚上為 1.6 到 2.1 kg m-2 h-1。差異來源于在不同階段環境條件不同。值得一提的是，在對流的協助下，該吸收體可以同時實現高的日間和夜間蒸發，這于蒸發水處理的實際應用需求非常契合。作為兩個典型的例子，作者展示了用這種3D IPCF來處理被染料分子和重金屬離子污染的水體。圖5C和 5D展示了，這種蒸發處理方式可以大幅降低水體中的污染物，并且達到了環保部門的排放要求。這種3D IPCF在15個污水處理循環過程中也展現出很好的穩定性。
圖5.（A）戶外實驗的條件。插圖展示了大規模裝置的照片，比例尺是5 cm。（B）連續13小時的蒸發性能。在對流的作用下，3D IPCF可以在白天和晚上都蒸發水。（C和D）3D IPCF應用在污水處理領域。在處理被染料分子和重金屬離子污染的水樣后，水質達到環保部門的要求。
小結
概括起來，本文設計了一種具有三維連通多孔結構的碳泡沫，提出利用自然界的對流來協助促使蒸汽進行擴散，實現了10.9 kg m-2 h-1以及連續13個小時42.0 kg m-2（戶外）水蒸發速率，從而為基于蒸發的水處理技術的大規模應用邁進了堅實的一步。
參考文獻
Over 10 kg m-2 h-1evaporation rate enabled by a 3D interconnected porous carbon-foam, Joule, 2020
DOI:10.1016/j.joule.2018.10.003
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(20)30092-1
作者介紹
李金磊，南京大學現代工程與應用科學學院在讀博士研究生。2016年加入朱嘉教授課題組學習，并于2019年獲得碩士學位。主要研究太陽能光熱轉化和輻射制冷等課題。以第一作者（含共同一作）在Joule, Science Advances，Advanced Materials等雜志發表多篇論文。
王雪旸，南京大學現代工程與應用科學學院在讀碩士研究生。研究方向是基于界面光熱的水處理技術。在Angewandte Chemie Internationals Edition等雜志上發表多篇文章。
林振輝，南京大學現代工程與應用科學學院研究生，2019年于南京大學現代工程與應用科學學院獲得學士學位，隨后加入朱嘉教授課題組，主要從事熱光伏、光熱蒸汽轉換等方面的研究工作。
通訊作者：朱嘉，南京大學現代工程與應用科學學院教授、博士生導師，于南京大學獲得物理學學士，美國斯坦福大學電子工程學碩士、博士，加州大學伯克利分校博士后。主要研究基于微納結構的能源轉換與存儲器件。在Nature Photonics, Nature Nanotechnology, Nature Materials, Joule,Science Advances, PNAS, Nano Letters，Advanced Materials等國際高影響力學術期刊發表論文100余篇。
