通过太阳能蒸发器进行海水淡化被认为是解决清洁水短缺问题的一种简单易行且零碳的方法。然而，现有的太阳能蒸发器在能量收集和清洁水生产方面表现出效率不足，从而限制其实际应用。为此，前沿研究致力于提高太阳能海水淡化效率，例如采取新材料以促进供水、减少热损失、降低蒸发焓、捕获环境能量等。近来，具有三维结构的太阳能蒸发器设计同样备受关注。该设计通过增加蒸发面积提高蒸发率，并可以促进局部盐结晶，有助于从高盐度盐水中连续产生淡水。但现有的装置大多采用固定结构，无法动态跟随太阳轨迹，在实际应用场景中可实现的工作效率仍然不足。

为解决这一问题，香港大学团队与深圳职业技术大学团队合作，在此前的水凝胶材料研究基础上^[1]，设计了一种由剪纸（kirigami）启发的具备动态三维结构的水凝胶太阳能蒸发器（KHSE）（图1）。该装置通过简单的拉伸变形可实现三维蒸发表面和俯仰角按需调节，从而实现对太阳高度的动态跟踪，表现出3.4 kg m⁻² hour⁻¹的稳定蒸发率，相比静态平面蒸发器提高了80%。此外，通过一系列理论建模，针对Kirigami动态结构力学、微观传质传热、规模化制造应用等重要问题提出了通用的设计规律。该工作以 “Kirigami enabled reconfigurable three-dimensional evaporator arrays for dynamic solar tracking and high efficiency desalination”为题发表在Science Advances期刊上^[2]。    

图1 KHSE 的概念设计

1、剪纸结构设计与俯仰角调控  

由剪纸启发的切割图案可将二维薄膜转变为具有三维动态形貌的可重构结构，为柔性器件设计提供了广泛思路。然而，太阳能蒸发中涉及的复杂传质过程需要对结构设计和材料配置进行专门的考虑。通过理论模型、数值计算和实验验证，得到了面向太阳能蒸发器的水凝胶剪纸结构设计规律。其中，剪纸的切割角度θ对剪纸的结构刚度和俯仰角有显著影响（图2F）；剪纸的切割长度l与厚度t构成的无量纲量l/t对剪纸的最大仰角有显著影响（图2G）。为避免剪纸结构裂纹扩展和微观结构（图2D）破坏，以及确保三维面外结构生成，水凝胶的模量（图2H）、韧性（图2C）和剪纸的拉伸率（图2E）必须满足一系列定量要求。    

图2 KHSE结构设计与调控方法

2、KHSE光热蒸发性能及盐结晶处理方法  

器件中使用的新型纳米纤维复合水凝胶本身具备优异的光热蒸发性能^[1]。此外，为实现KHSE在高浓度盐溶液中连续蒸发，太阳能蒸发器还需克服盐结晶的问题。通过微观结构（图3C）实现了盐水的定向输运（图3D），使得盐结晶在剪纸尖端局部发生（图3E、G、H）。利用剪纸的重构实现结晶盐的按需清除，使得KHSE可以长期稳定运行（图3K）。得益于三维的蒸发结构，KHSE相比于常规的平面蒸发器显著提高了水汽生成速率（图3I、J）。    

图3 KHSE的太阳能蒸发、脱盐性能

3、KHSE实际应用设计  

针对太阳能海水淡化应用，通过实验论证，提出了KHSE最优使用方法。在太阳高度较低时，对太阳光进行动态追踪（图4D），在太阳高度较高时，采用固定三维结构以优化蒸发速率。另一方面，对不同尺寸KHSE薄膜的均匀性进行分析（图4E），得到定量模型以预测结构参数，实现精确定制（图4F）。

图 4 太阳角度动态跟踪

4、海水淡化原型验证  

在上述研究基础上，面向实际应用开展了海水淡化原型验证。通过单片机驱动结构拉伸来调控剪纸俯仰角以实现太阳高度角追踪（图5B、C），另一方面驱动系统旋转以实现太阳方位角追踪（图5B）。在户外实验中，太阳光线追踪模式的KHSE产生淡水的速率为14.9 L m⁻²，显著优于静态的KHSE和平面太阳能蒸发器，为进一步优化以实现工业应用提供了良好基础。

图5 KHSE海水淡化原型验证

论文共同第一作者：李昊（香港大学机械工程系博士生）、张伟鑫（香港大学机械工程系博士后）。通讯作者：廖翕（深圳职业技术大学建筑工程学院）、徐立之（香港大学机械工程系）。

团队网页：xulizhi.hku.hk

参考文献：

1.H. Li, W. Zhang, J. Liu, M. Sun, L. Wang, L. Xu, Self-Assembled Nanofibrous Hydrogels with Tunable Porous Network for Highly Efficient Solar Desalination in Strong Brine. Advanced Functional Materials n/a, 2308492 (2023).

2.H. Li, W. Zhang, X. Liao, L. Xu, Kirigami enabled reconfigurable three-dimensional evaporator arrays for dynamic solar tracking and high efficiency desalination. Science Advances 10, eado1019 (2024).