新闻网讯 近日，环境学院周爱姣教授团队在《能源环境科学》在线发表了题为“太阳能界面蒸发系统多场协同推动水净化和蓝色能量收集技术”（Solar interface evaporation system multi-field synergies boost water purification and blue energy harvest technologies）的最新综述论文。环境学院周爱姣教授和谢鹏超教授为论文共同通讯作者，王柏淳博士为论文第一作者。
基于太阳能界面蒸发系统（SIES）多场协同的能量、水和水中物质的输入输出，团队提出了SIES多场协同的推动水净化和蓝色能量收集的理念，综述了这一跨学科研究领域的最新进展，分析了多场之间的相互作用和内在联系。现有的基于光场的单独SIES难以有效提升产水量、降解率和能量效率等性能，多物理场协同作用对解决与水-能关系的挑战至关重要，该论文为SIES利用多种能源（如太阳能、水中热能和化学能）的多领域协同提供了更好的科学依据。
SIES潜在的热能和化学能转化为物理水循环中的水和能量的概念图
全球的水资源短缺和能源危机使得科学家尝试利用SIES通过强化自然蒸发过程，来生产清洁淡水的同时从水中获得蓝色能源（燃料和电能）。这是一种环境友好、经济有效的水净化与能源回收方式，有望实现低能耗、自循环、短流程、少药剂的水净化和能源获取新模式。目前，研究者提出的热定位多潜热回收和水电联产装置已超过太阳能-蒸汽的热力学极限，极大提升了能量综合利用效率，但水及水中物质的多样性所蕴含的能量没有得到有效利用，难以满足多种应用场景需求。实际上，水承载着热能和化学能，是高熵水，对SIES系统中光-热-电协同机制的探究有助于调控-提取-反馈其中的能量循环，有望实现SIES能量原位高效利用。
SIES多场协同的能量输入输出图
SIES多场协同效应的能量与物质循环运行机制
基于上述研究背景和需求，团队提出了多场（光场、热场、水化学场）协同效应的概念，通过调节水分子、电子和离子之间的关系，探讨如何进一步提高产水量、水质、燃料产量和电力输出的可能性。能量可以被调控后输出再利用，如果蒸发海水转化为纯水所产生的盐度梯度能以热量形式反馈于SIES系统，可将淡水产率提高数倍。在SIES界面处，一方面光热转换将热量用于水分子蒸发相变的驱动力，另一方面，界面光电转换（光生电子）会引发一系列光化学反应，从而产清洁水和蓝色能源。热场协同下，热载流子、热离子和热电偶在潜热或显热促发的极化迁移机制驱动下会产生电能；掺杂光催化剂的SIES可以最大限度地发挥热化学和光化学过程的协同作用，降解有机污染物，防止无机盐离子结垢，从而确保水质安全。水化学场协同下，光产生的电荷界面结合Fenton系统、硫酸盐自由基和其他氧化还原偶体系，将电子转移到非均相系统，从而提高光驱动的氧化还原效率；由于饱和水蒸气的反应焓较低，能有效地将CO2转化为CH4、CO和H2等燃料；非等温诱导的盐度梯度、热扩散效应、热电效应和水伏效应又可用于获取蓝色能源。为此，该论文从光场、热场、水化学场三个方面及其对应的能量单元综述了不同物理场对SIES的协同研究，并对其增益效应进行了系统性分析，以期为SIES的多学科交叉水处理和能源利用提供新思路。
热场协同作用下的水净化与能量收集示意图
热场是SIES的固有单元，其变化与光驱动水蒸发和光化学反应密切相关。静态热和梯度热是热场的主要存在形式。SIES中的静态热量一般来自光热转换（未利用的蒸发热能）和水中低品位热源产生的热量。这主要促进高能量热载流子的产生和蒸发温度升高。这些特性对控制光化学反应动力学的基本步骤起着重要作用。梯度热自发产生于局部热量（蒸发、热损失或外部热量）和外部环境能量的空间梯度分布。在梯度热范围内的极化会产生电位差，实现蓝色能量收集过程。调控热场可以将热效应和光催化协同，降低活化能，提高催化效率。
水化学场协同作用下的水净化与能量收集示意图
根据场的定义，该文中的水化学场是指水分子、水中离子和分子与界面材料之间的相互作用。它是基于与光、热和电协同的相关的动力学反应。描述了水化学场协同作用如何利用化学能重构界面与水分子之间的反应体系，包括化学势和静电势。水静电势能表现为界面处的离子在非等温水空间中极化，通过盐度梯度、热扩散、蒸发驱动的水伏外电场辅助氧化还原产生电能。化学势能的体现为氧化还原偶通过非等温驱动下的热电偶效应发电，为载流子活化活性因子提供停留路径，促进氧化还原发生。
团队对不同场的综合分析表明，热场主要是在静态热和梯度热下利用热载流子增强光化学反应；电子迁移由非等温场的温度熵变化引起的，多源热的条件可促使蒸发速率增加；水化学场中的物质不能仅仅被视为去除对象，还可以从中获取化学势和静电势，用于加强光化学链式反应，从而提高非等温电解质介质中的电输出。多场的相互作用可以提高实际蒸发效率，缓解低能级电子难达到光化学反应的最低能量阈值的问题，提高能量利用效率，避免单场系统的不足。SIES原位热和水化学场产生的“附加场”，为水分子的相变提供动力，调节电子和反应物的反应环境，提升电子迁移效率，提高水的净化效率，回收电能和燃料。基于SIES的综合水净化系统如何有效利用蒸发热能、催化化学能和极化电能迫切需要开展新的探索。
周爱姣教授团队主要从事水质控制、固废资源化的理论与技术研究，包括太阳能界面蒸发净水、水质安全保障、水处理功能材料研发、污水中磷资源回收、有机固废资源化、水处理厂工艺节能降碳优化等方面。以第一/通讯作者在Chemical Engineering Journal、Journal of Cleaner Production、《给水排水》等期刊发表学术论文40余篇，获国家授权发明专利多项。主编书籍《长江经济带大中城市有机固废物质流与能量流》。任水工业分会排水专家委员会委员、《能源环境保护》期刊编委。
谢鹏超教授团队主要从事饮用水和污废水深度处理理论与技术方面的研究。以第一/通讯作者在Environmental Science & Technology、Water Research、Journal of Membrane Science等刊物上发表论文40余篇，获授权专利10余项。
原文链接：https://doi.org/10.1039/D3EE03922F
