ENERG CONVERS MANAGE|面向協(xié)同磁熱 - 光熱效應界面蒸發(fā)的相變集成磁性多孔碳

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研究背景

淡水是全球可持續(xù)發(fā)展的基石，然而清潔水資源的稀缺已成為嚴峻的全球性挑戰(zhàn)，影響著近半數(shù)人口的生活與發(fā)展。太陽能驅動界面蒸發(fā)技術因其高能效、低成本和結構簡單等特點，被視為海水淡化和污水凈化的可行途徑，尤其在離岸島嶼、偏遠船舶等場景具有重要應用前景。隨著對可持續(xù)水生產系統(tǒng)需求的增長，預計未來對高效、全天候的淡水收集技術的依賴將顯著提升。然而，傳統(tǒng)太陽能界面蒸發(fā)系統(tǒng)受限于太陽輻射的固有間歇性與低能量密度，難以在夜間或弱光條件下維持穩(wěn)定產水，這成為實現(xiàn)連續(xù)、可靠淡水供給的關鍵瓶頸。尤其是在實際環(huán)境條件下，如何有效存儲太陽能并在無光照時持續(xù)釋放熱能，以實現(xiàn)相變材料的高效熔化與凝固循環(huán)，是當前界面蒸發(fā)技術走向全天候應用的核心難題。相關工作以《Phase-change-integrated magnetic porous carbon for synergistic magnetothermal and photothermal interfacial evaporation》為題發(fā)表于《Energy Conversion and Management》期刊。（JCR一區(qū)，IF=13.5）

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研究內容

研究針對太陽能驅動界面蒸發(fā)系統(tǒng)受限于太陽輻射的低能量密度與天然間歇性，難以實現(xiàn)全天候連續(xù)淡水生產的難題，提出相變集成磁性多孔碳的協(xié)同磁熱?光熱界面蒸發(fā)策略，圍繞三維磁相變復合材料PEG/CF/C@CoNPs開展可控制備、多模熱轉換與儲能調控及系統(tǒng)集成研究，為全天候淡水生產提供高效、連續(xù)、經濟的解決方案。太陽能界面蒸發(fā)技術雖具有高能效、低成本及結構簡單等優(yōu)勢，尤其適用于離岸島嶼、漁船等場景，但其依賴白晝光照的特性導致夜間或陰雨天氣下產水中斷。低品位含鹽水體（如海水、苦咸水）與污水資源化利用需求持續(xù)增長，傳統(tǒng)蒸發(fā)技術能耗高、依賴穩(wěn)定能源供給，無法滿足分布式、可持續(xù)的水源供給體系。核心技術方面，通過以廢棄PET與過渡金屬鈷為前驅合成Co?MOF并碳化制備磁性多孔碳（C@CoNPs），與碳化木漿海綿骨架（CF）及聚乙二醇相變材料（PEG?20000）經真空浸漬復合成三維PEG/CF/C@CoNPs復合材料。該復合材料光吸收率達＞90%，磁飽和度達11.77?emu/g，并通過調控C@CoNPs含量（0–16?wt%）優(yōu)化熱導率與儲熱性能，實現(xiàn)在16?wt%時太陽能儲能效率87.78%，在12?wt%時磁熱儲能效率75.86%。耦合太陽能與交變磁場（AMF）加熱后，5?min內可實現(xiàn)完全相變，相較于單一太陽能驅動，顯著克服相變啟動慢、儲能效率低的問題。性能方面，在1?sun光照與6.6?A磁場協(xié)同作用下，界面蒸發(fā)速率達2.99?kg·m?2·h?1（加熱階段）和1.18?kg·m?2·h?1（冷卻階段）；提升至3?sun與8.8?A時，蒸發(fā)速率進一步提升至5.17?kg·m?2·h?1和1.56?kg·m?2·h?1，且在外界能源中斷后仍能依靠相變材料釋放潛熱維持蒸發(fā)（1.34?kg·m?2·h?1）。該體系在模擬廢水處理中對多種有機染料及酸堿污染物的去除率超過99.9%，海水淡化后出水電阻達8.36?MΩ，接近WHO飲用水標準，并通過定向排鹽設計有效抑制鹽結晶，保障長期穩(wěn)定運行。經濟性評估表明，系統(tǒng)制造成本約565?RMB/m2，在“光?磁”協(xié)同模式下，單日淡水產量可達13.16?L，單位產水成本顯著低于市售飲用水價格，展現(xiàn)出良好的規(guī)模化應用潛力。該研究通過耦合可再生能源驅動的磁熱轉換與相變儲能，突破太陽能間歇性對界面蒸發(fā)連續(xù)性的制約，為分布式、全天候淡水供給提供了材料?系統(tǒng)?調控一體化的創(chuàng)新途徑，同時以廢棄塑料資源化利用為出發(fā)點，兼具環(huán)境友好與經濟可行性的雙重優(yōu)勢。

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研究數(shù)據(jù)

圖1.樣品與蒸發(fā)器制備示意圖：(a) PEG/CF/C@CoNPs 復合材料的制備流程；(b) 界面蒸發(fā)器的設計與裝配流程。

圖2. 光熱-磁熱耦合界面蒸發(fā)實驗系統(tǒng)示意圖

圖3. 樣品表面形貌與元素分布：(a–c) 磁性多孔碳（C@CoNPs）的SEM圖像；(d–f) 碳化木漿骨架（CF）的SEM圖像；(g–i) PEG/CF/C@CoNPs 復合材料的SEM圖像；(j–m) PEG/CF/C@CoNPs 復合材料的元素分布映射，展示了C、O和Co的分布。

圖4. 化學成分與官能團分析：(a) C@CoNPs、CF、PEG-20000及PEG/CF/C@CoNPs的XRD圖譜；(b) PEG/CF/C@CoNPs的XPS全譜；(c-e) PEG/CF/C@CoNPs的XPS高分辨C 1 s、Co 2p及O 1s譜圖；(f) C@CoNPs、CF、PEG-20000及PEG/CF/C@CoNPs的FTIR光譜。

圖5. PEG與PEG/CF/C@CoNPs復合材料的熱性能：（a）DSC升溫曲線；（b）DSC降溫曲線；（c）熔化與結晶過程的相變溫度；（d）熔化焓與結晶焓；（e）80℃等溫加熱過程中記錄的照片；（f）總負載率與PEG負載率；（g）熱重分析（TGA）曲線；（h）微分熱重（DTG）曲線。S0–S5分別代表純PEG以及C@CoNPs納米顆粒含量為0wt%、4wt%、8 wt%、12 wt%和16 wt%的PEG/CF/C@CoNPs復合材料。

圖6. 不同PEG/CF/C@CoNPs復合材料的光熱性能：（a）光熱儲能示意圖；（b）CF、PEG-20000及PEG/CF/C@CoNPs復合材料的光吸收光譜（300–2500 nm）；（c）PEG/CF/C@CoNPs在2倍太陽光強照射下及黑暗環(huán)境中的溫度變化曲線；（d）CF、PEG/CF及PEG/CF/C@CoNPs在不同時間點的紅外熱像圖；（e）樣品S4在不同太陽光強（1–3倍太陽光強）下的升溫曲線；（f）樣品S4在不同太陽光強（1–3倍太陽光強）下的紅外熱像圖。

圖7. 不同PEG/CF/C@CoNPs復合材料的磁熱性能：（a）磁場輔助儲能示意圖；（b）磁滯回線；（c）10分鐘磁熱加熱及30分鐘冷卻過程中的溫度變化曲線；（d）對應的紅外熱像圖；（e）樣品S4在不同線圈電流下的升溫曲線；（f）樣品S4在不同線圈電流下的紅外熱像圖。

圖8. 太陽能輻照與交變磁場下的光熱與磁熱轉換性能：（a）熱能存儲與釋放過程示意圖；（b）不同復合樣品（S1–S5）的升溫與降溫曲線；（c）S4樣品在不同條件下的升溫曲線；（d）S4樣品在不同條件下的紅外熱像圖。

圖9. 界面蒸發(fā)性能：(a) 界面蒸發(fā)裝置示意圖；(b) 不同條件下水分損失對比；(c) S4樣品表面溫度變化曲線；(d) S4蒸發(fā)過程中的水分損失量；(e) S4蒸發(fā)速率分析；(f) S4蒸發(fā)過程的紅外熱像圖序列。

圖10. 能量輸入對熱存儲與界面蒸發(fā)的影響：(a) 不同太陽光強與交變磁場條件下水分質量變化；(b) 對應的界面蒸發(fā)速率；(c) 間歇性太陽光照下的界面蒸發(fā)行為；(d) 針對太陽光照間歇性及能量補償策略的蒸發(fā)速率對比；(e) 連續(xù)30次測試循環(huán)中蒸發(fā)速率隨循環(huán)次數(shù)的變化。

圖11. 廢水凈化與抗鹽污性能：(a) 蒸汽冷凝與收集系統(tǒng)示意圖；(b–e) 酚紅、亞甲基藍、甲基橙及羅丹明B凈化前后的UV-Vis吸光度對比；(f) 酸性及堿性水凈化前后的pH值對比；(g) 不同蒸發(fā)條件下的鹽沉積對比。

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研究結論

本研究通過相變與磁熱協(xié)同策略，成功構建了一種三維磁性相變復合材料（PEG/CF/C@CoNPs），實現(xiàn)了全天候、高效的界面蒸發(fā)與淡水生產：該復合材料在16 wt% C@CoNPs負載下光熱儲能效率達87.78%，在12 wt%負載下磁熱儲能效率最高為75.86%；光熱與磁熱耦合可在5分鐘內完成全相變，并在1 sun與6.6 A條件下實現(xiàn)蒸發(fā)速率2.99 kg·m?2·h?1（加熱階段）與1.18 kg·m?2·h?1（冷卻階段），在更強輸入條件下進一步提升至5.17 kg·m?2·h?1和1.56 kg·m?2·h?1；針對太陽能間歇性問題，在光照中斷時引入交變磁場加熱可使蒸發(fā)速率達3.37 kg·m?2·h?1，停止供能后仍能維持1.34 kg·m?2·h?1的蒸發(fā)，實現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定的界面蒸發(fā)；該體系對模擬廢水中多種污染物的去除率超過99.9%，海水淡化后水質接近WHO飲用水標準，且通過定向排鹽設計有效抑制了鹽沉積，保障了長期運行穩(wěn)定性；此外，該蒸發(fā)器制造成本較低（565 RMB/m2），在“光熱+磁熱”協(xié)同模式下產水成本顯著低于市售飲用水，具備良好的經濟性與實際應用潛力。該研究為克服太陽能間歇性限制、實現(xiàn)全天候淡水生產提供了材料?系統(tǒng)協(xié)同新思路，對推動可再生能源驅動的海水淡化與廢水凈化技術發(fā)展具有重要意義。

https://doi.org/10.1016/j.enconman.2025.120813

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