近日，我校能源与动力工程学院洪文鹏教授团队青年教师李浩然副教授在Cell旗下新晋高水平期刊《Cell Reports Physical Science》（IF=7.832）上发表研究论文“Mixed temperature gradient evaporator for solar steam generation”。该论文提出了混合温度梯度蒸发器（MTGE）概念，通过柱状太阳能蒸发器的水、热同步管理，在光照和黑暗条件下均获得了超越理论极限的等效蒸发速率，为开发零碳、灵活、可持续的高效太阳能蒸馏技术提供了理论和实施基础。
界面光热蒸发技术基于太阳能局域加热效应从废水、污水和海水中提取清洁水，摆脱了天然水体的地域限制，可灵活构建分散式、低成本的清洁水生产系统，同时实现了CO2零排放。通过开发先进光热材料及结构提升蒸发速率是该领域的研究热点，超过理论极限的光‒蒸汽转换速率已通过降低蒸发潜热、环境加热、风/光电供热等热管理方式实现。然而，光热材料表面水分供需失衡因增加热质传输阻力而降低光-蒸汽转换速率，是妨碍该技术进步的重要瓶颈。
洪文鹏教授团队针对快速蒸发与非平衡供水之间的矛盾，基于太阳能加热、蒸发冷却和流体流动减阻创新性地提出了同时存在正、负温度梯度的MTGE可作为大幅提升等效蒸发速率的物理机制（图1）。借助红外热成像技术捕获了MTG现象，结合多物理场耦合计算探究了蒸发器内的温度分布及其演变规律，为蒸发器结构设计及MTG调控奠定了理论基础（图2）。进一步实验研究发现，优化的MTGE在1倍标准太阳光照和黑暗条件下的等效蒸发速率分别达到5.62和2.77 kg m‒2 h‒1，均高于理论极限（1.47 kg m‒2 h‒1）；太阳能加热、环境加热与MTGE对蒸发速率的贡献分别为18.4%、49.2%和32.3%（图3）。
图1 先进MTGE的水、热同步管理策略
图2 MTGE的温度分布与演变规律
图3 MTG诱发的光‒蒸汽转化性能评价
该论文由洪文鹏教授团队独立完成，东北电力大学为论文唯一完成单位，李浩然副教授为论文第一作者，2020级硕士研究生刘晓仪为学生第一作者，洪文鹏教授和李艳老师为共同通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金和吉林省教育厅“十三五”科学技术研究规划重点项目的联合资助。Cell Reports Physical Science《细胞报告·物理科学》是Cell Press出版集团2020年推出的高影响力综合期刊，旨在发表物理、化学、能源科学、材料科学以及交叉学科领域中的重大研究进展。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386422003058
