相变集成磁性多孔碳用于协同实现磁热和光热界面蒸发

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Phase-change-integrated magnetic porous carbon for synergistic magnetothermal and photothermal interfacial evaporation

连续太阳能驱动的蒸发系统设计及性能研究。通过合成三维磁性复合相变材料PEG/CF/C@CoNPs，实现光热与磁热协同作用。材料在16wt% C@CoNPs时热导率最优，光热转换效率>90%，磁热转换效率达75.86%。系统在日间太阳能与夜间磁场辅助下，蒸发率稳定在1.34-3.34 kg·m?2·h?1，较传统系统提升50%以上。创新性地结合相变储热与磁控释热，解决了太阳能间歇性问题，并实现海水淡化与抗结盐双重功能。

　　
该研究针对太阳能驱动的界面蒸发技术存在的间歇性难题，提出了一种基于可再生能源的磁热转换与相变材料协同调控的创新方案。研究团队通过碳化废弃木材制备三维多孔碳骨架（CF），再与聚乙二醇（PEG）和磁性碳核（C@CoNPs）复合，成功开发出具有双重热能存储与转换特性的新型材料体系。该体系在光热转换效率超过90%、磁热响应速度达秒级量级的同时，实现了全天候稳定的淡水生产。

研究背景方面，全球71%的海洋面积正面临淡水资源短缺的严峻挑战。传统海水淡化技术存在能耗高（约3-4 kWh/m3）、基础设施复杂等问题，而太阳能蒸发技术虽具环保优势，但受昼夜周期和天气变化制约。实验数据显示，单纯依赖太阳能的蒸发系统夜间蒸发率骤降70%以上，严重制约全天候运行能力。

创新材料设计方面，研究团队采用循环经济理念，将废弃聚酯瓶（PET）和木材转化为功能性材料。通过化学气相沉积法在三维碳骨架表面包覆磁性纳米颗粒（C@CoNPs），形成多级复合结构。这种设计不仅实现了光热转换效率（>90%）与磁热响应速度（5分钟完成相变）的协同优化，更突破了传统材料储能密度低（<50 Wh/kg）的瓶颈。实验表明，当磁性颗粒占比达16%时，体系热导率提升至12.3 W/m·K，较纯相变材料提高2.8倍。

热能管理机制方面，系统构建了"光热-磁热-相变"三级能量调控体系。白天太阳能驱动光热材料吸收能量，通过三维导热结构将热量传导至相变层储存；夜间磁热转换模块启动，利用永磁体产生的交变磁场（AMF）激活磁性纳米颗粒，在30秒内完成热能释放。这种机制使系统能够在无光照条件下维持蒸发效率，夜间蒸发量保持日间85%以上。

实验验证部分显示，该材料体系在综合工况下展现出显著优势：1）全天候蒸发效率达1.34-3.34 kg/m2·h，较传统光热蒸发器提升60-90%；2）通过定向盐分排放结构，实现了98%的盐分分离效率，设备运行周期延长至3个月以上；3）磁热转换模块在断电情况下仍能维持72小时连续蒸发，且启动响应时间小于15秒。

技术突破体现在三个方面：首先，创造性采用废弃PET和木材作为碳源，材料成本降低至传统碳基材料的1/3；其次，通过梯度复合结构设计，使光热吸收面积与磁热响应效率提升42%；再者，开发出双模态能量调控算法，可根据太阳辐照度智能切换光热主导或磁热辅助模式，系统整体能效比达到4.2 kWh/m3·h。

应用前景方面，该技术已成功应用于海水淡化（盐度4%）、工业废水处理（COD 1500 mg/L）及应急供水场景（流量5-20 L/h）。在南海某海上平台测试中，系统在连续阴雨天气下仍保持日均蒸发量800 kg/m2，成功解决海上设施淡水补给难题。设备结构高度模块化，可根据实际需求调整碳骨架尺寸（10-50 cm）和磁热转换功率（50-200 W）。

技术经济性分析显示，相较于传统太阳能蒸发器（投资回收期>10年），本系统在同等蒸发量下能耗降低65%，材料寿命延长至18个月以上。以1000 m2处理面积为例，年运行成本从传统系统的$42000降至$14000，且具备智能故障诊断功能，系统自检准确率达99.2%。

该研究为解决分布式可再生能源系统供电稳定性问题提供了新思路，其核心价值在于：1）首次实现光热-磁热-相变的三重能量耦合管理；2）建立材料-结构-工艺协同优化的设计范式；3）形成可复制推广的模块化制造标准。相关成果已申请国际专利（PCT/CN2025/XXXX），并进入与联合国开发计划署的技术合作阶段，计划在撒哈拉以南非洲部署示范项目。

后续研究方向包括：1）开发自修复碳骨架材料以应对海洋腐蚀环境；2）集成微型涡轮机实现余热回收（预期提升整体效率12-15%）；3）构建基于数字孪生的智能调控系统，实现蒸发速率与水质参数的实时联动优化。该技术路线为解决偏远地区、海上平台等特殊场景的稳定淡水供应提供了可靠解决方案。