随着工业的发展和人口的快速增长，水污染和水资源短缺问题是人类社会长期面临的巨大挑战之一。近年来，太阳能界面蒸发技术因具备绿色、节能、低成本等优点已成为新兴的可持续海水淡化技术的研究热点之一。太阳能界面蒸发器是太阳能界面蒸发技术的核心，其主要由用于光热转换的光热层和用于水传输的支撑载体组成，将吸收的太阳光转化为热，进而促使界面液态水高效蒸发为水蒸汽。其中，蒸发速率是太阳能界面蒸发器的重要性能参数之一，是反映太阳能界面蒸发器工作状态的重要指标。然而，目前仍没有一项技术能原位监测蒸发器的实时蒸发速率，这极大地限制了太阳能界面蒸发器的大规模应用与系统的智能化管理。

图1 蒸发速率的原位监测技术及其在大规模太阳能蒸发系统中应用的示意图

鉴于此，吴青芸副教授课题组与武汉大学陈朝吉教授合作首创性提出利用原位测定支撑载体电导率用于太阳能蒸发器蒸发速率的实时在线监测新技术（图1）。该技术有望实现太阳能界面蒸发器大规模应用中多蒸发器并用的原位在线监管，为太阳能界面蒸发系统的智能化管理提供了可能。通过不断的尝试，研究团队发现，蒸发器的蒸发速率与支撑载体的电导率成线性正相关（图2）。在该实验中，蒸发器被放置在模拟太阳光下照射，当改变不同的光照强度并分别持续照射24分钟，同时全程记录支撑载体的电导率。结果表明，电导率会在光照强度改变的瞬间发生变化，并很快达到下一个平衡。采用传统的称重法分别测定对应光照强度下的蒸发速率，可发现蒸发速率与电导率间存在线性关系。这意味着，可通过记录蒸发器支撑载体的电导率计算蒸发速率，同时实现对蒸发速率的实时在线监测。此外，实验结果表明该方法具有优异的检测灵敏度与稳定性。另外，该工作进一步证明了该方法的普适性。相同的方法被证明可应用于不同类型的支撑载体材料，以及不同形状的蒸发器中（图3）。

图2 不同光照强度下电导率随时间的变化，不同光照强度下的蒸发速率，以及电导率与蒸发速率的线性关系曲线

图3 不同类型的太阳能界面蒸发器的实时在线监测

结盐是太阳能界面蒸发器在海水淡化应用中容易出现且难以避免的问题。结盐会导致蒸发器的光热层被盐晶体覆盖或水传输通道堵塞，造成蒸发速率下降，甚至无法正常工作。实验证明，盐结晶将经历盐溶液浓缩、晶粒成核和生长等过程，如果能在肉眼可见盐结晶之前监测到溶液浓缩或晶粒成核等阶段，将有助于监管者做出判断，并对蒸发器进行及时清洗、更换等干预。在这项工作中，研究团队基于电导率与蒸发速率的线性关系，证明了通过实时在线监测电导率可以准确、实时地监测到由微观结盐导致的蒸发速率下降（图4）。该方法所监测到的蒸发速率下降开始时间比肉眼判断盐结晶早30分钟以上，这将使得对蒸发器进行精准有效的智能化管理有了理论上的可能。

图4 原位监测盐结晶过程

最后，研究团队尝试户外搭建了小型的太阳能界面蒸发系统，该系统包含5个蒸发器同时运行，并分别安装了实时在线监测装置（图5）。实时电导率数据在线跟踪了10：30~22：00时段内每一个蒸发器蒸发速率的变化情况，进一步验证了该技术在未来大规模太阳能界面蒸发系统中应用的可能。

图5 太阳能界面蒸发系统的户外运行实验

相关成果以“Real-time and in situ monitoring of evaporation rate and salt precipitation during interfacial solar evaporation”为题发表于Nano Energy期刊，论文第一单位为中国·太阳集团(tcy8722·官方网站)SunCityGroup|欢迎莅临，第一作者为20级硕士研究生韩鉴琛、邓然副研究员，陈宏磊、于乐参与了该项工作，通讯作者为吴青芸副教授、陈朝吉教授。该工作得到了广东省基础与应用基础研究基金面上项目(2022A1515010021)等项目资助。