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陕科大王成兵/浙大李洋《EES》综述：仿生设计革新太阳能界面蒸发器

能源学人 · 公众号 · · 2025-03-14 09:36

正文

全球淡水资源短缺已成为21世纪最为严峻的挑战之一。随着人口的持续增长、工业的不断扩张以及气候变化的日益加剧，传统海水淡化技术虽已实现工业化应用，但其高能耗、复杂预处理流程以及潜在的环境风险，严重制约了其在资源匮乏地区的广泛推广。在此背景下，太阳能界面蒸发技术凭借其低碳排放和高效蒸发的显著优势，崭露头角，成为极具潜力的颠覆性解决方案。该技术通过局域化光热转换实现气-液界面的低温蒸发，能耗显著低于传统工艺。然而，其整体性能和多方面应用仍面临诸多挑战。为了进一步提升太阳能界面蒸发器的性能，研究者们从自然界中汲取灵感，利用仿生设计优化其结构和功能，推动了太阳能驱动界面蒸发技术的快速发展。尽管仿生设计为太阳能界面蒸发器的发展提供了新思路，但在实际应用中仍面临诸多挑战，如材料成本较高、结构复杂性增加以及规模化生产难度大等。此外，仿生结构的直接应用可能因与系统功能的冲突而难以实现预期效果。因此，系统总结仿生设计在太阳能界面蒸发器中的应用进展，深入分析其结构与性能的关系，对于指导未来研究具有重要的理论和实践意义。

图1 用于太阳能界面蒸发器的生物功能结构

近日，陕西科技大学王成兵教授与浙江大学梅德庆团队百人计划研究员李洋合作在《Energy & Environmental Science》以“Bionic design: insights from nature for solar interfacial evaporators”为主题发表综述论文。陕西科技大学硕士生王博（浙江大学访问学生）为该论文第一作者，陕西科技大学王成兵与浙江大学李洋为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金委和陕西高校青年创新团队的支持。

本工作着重于仿生设计在太阳能界面蒸发器中的应用，深入分析了仿生结构在增强光吸收、热管理和水/盐传输性能方面的最新进展，并从不同维度对现有仿生设计进行了系统总结。文章详细分析了自然界中生物结构的高效能量利用机制，探讨了如何通过模仿这些结构优化太阳能界面蒸发器的性能。通过对仿生设计特征与不同功能改进目标进行系统性对比分析，本文梳理了该领域在设计与制造过程中的关键研究成果，为太阳能界面蒸发器的性能优化构建了多维设计矩阵。此外，文章还总结了当前仿生结构在实际应用和规模化制造中面临的挑战及未来发展方向，为太阳能界面蒸发器的结构优化和商业化应用提供了理论支持和技术指导。通过系统梳理仿生设计在太阳能界面蒸发器中的应用，文章为开发高效、可持续的太阳能界面蒸发器提供了科学依据与创新思路，旨在推动该领域的技术进步与实际应用。

图2 太阳能界面蒸发器中的仿生结构设计

首先，实现太阳光谱全波段的高吸收，同时应对实际应用中太阳入射角的动态变化，是提升太阳能界面蒸发器光吸收性能的核心难题。仿生设计通过构建微纳光陷阱和三维光补偿结构，有效降低了界面反射损失，延长了光的传播路径，从而显著提升了宽光谱吸收率，并有效补偿了因太阳入射角变化而产生的光衰减问题。本综述深入介绍了多种受自然生物结构启发的高效光利用仿生结构，如模仿飞蛾复眼的微纳结构、蛇鳞的纳米脊结构以及向日葵的三维光补偿结构等，详细阐述了这些结构的设计原理、光吸收特性及其对蒸发性能的积极影响。

其次，在太阳能驱动的界面蒸发过程中，光热材料虽能将光能转化为热能驱动水蒸发，但热能的传导、对流和辐射损失会降低蒸发效率。为此，仿生设计模仿自然界高效能量转换与热管理机制，通过低热导率结构、热隔离结构和环境热辅助结构等仿生策略，优化热传导路径和蒸发界面温度分布，增强热量集中、减少热损失，从而提高光热转换效率和蒸发性能。文章深入探讨了这些仿生热调节策略及其在优化热管理性能方面的机制，详细分析了不同仿生设计策略的实际应用潜力，并综合总结了最新的研究成果，为提升太阳能界面蒸发器的高效运行提供了可靠的解决方案。

最后，水/盐传输对太阳能界面蒸发器的连续蒸发性能及多功能应用至关重要。仿生设计在这一领域展现出独特优势，通过模拟自然植物的蒸腾机制和水质运输系统，优化了蒸发器的传输路径和盐管理结构。本综述深入探讨了水/盐运输的仿生结构优化策略，涵盖多种垂直孔道和水膜表面微腔结构，详细分析了其运输原理与阻盐特性。此外，为促进盐离子回流、抑制盐积累，文章还介绍了仿生阻盐设计，总结了最新成果及应用潜力，展现了其对提升蒸发器长期稳定性的广阔前景。

图3 太阳能界面蒸发器中仿生设计类别

尽管仿生设计显著提升了太阳能界面蒸发器的性能，但实际应用中仍面临诸多挑战。未来研究应聚焦于仿生结构与系统功能的协同优化，开发更高效、更可持续的太阳能界面蒸发器技术。通过持续优化仿生设计，结合更简单、成本效益更高的制备方法，降低生产成本并提高规模化制造能力，太阳能界面蒸发器有望在海水淡化、废水处理及能源转换等领域发挥更大作用，为缓解全球淡水资源短缺提供可持续解决方案。仿生太阳能界面蒸发器的发展不仅彰显了科技与自然的融合，更为绿色能源技术的创新开辟了新路径。

文章链接： Bionic design: insights from nature for solar interfacial evaporators - Energy & Environmental Science (RSC Publishing)

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