通过掠射角共沉积技术结合后续快速热退火处理，制备出节能的W掺杂VO?基智能眼镜

《Results in Engineering》：Energy-efficient W-doped VO 2-based smart glasses by glancing angle co-deposition and subsequent rapid thermal annealing

本研究通过将氧化铁（Fe?O?）纳米颗粒修饰的生物多孔材料（亚麻布）应用于倾斜太阳能蒸馏器（ISS），显著提高了淡水产量和热效率。实验表明，在质量流量为0.29 kg/min时，5% Fe?O?修饰的亚麻布ISS的日产量达到2.96 kg/m2，热效率为51.85%，成本效益为$0.0106/L，回收期101天。响应面法验证了模型的有效性（R2 >0.95），并发现纳米颗粒增强了热传导和蒸发性能。

　　在当前全球水资源短缺和环境污染日益严峻的背景下，太阳能蒸馏技术作为一种清洁、可持续的水净化方法，受到越来越多的关注。该技术利用太阳能作为能源，通过蒸发和冷凝过程实现海水或咸水的淡化，是一种被动式系统，无需外部电力驱动，具有显著的生态友好性和经济可行性。然而，传统的太阳能蒸馏装置（如倾斜太阳能蒸馏器ISS）在实际应用中存在一些挑战，例如，水的流动速度过快会导致蒸发效率下降，以及吸收器表面温度分布不均等。为了解决这些问题，研究者们开始探索新型材料的应用，尤其是通过功能化处理提高材料的热传导性和吸热能力，从而增强整个系统的性能。

本研究聚焦于使用铁氧化物（Fe?O?）纳米颗粒对天然纤维材料——亚麻布（jute cloth）进行功能化处理，以提升倾斜太阳能蒸馏器的产水量、温度和效率。亚麻布作为一种天然、可再生、可生物降解的材料，因其良好的吸水性和多孔结构，在太阳能蒸馏系统中具有广泛的应用前景。然而，纯亚麻布的吸热能力有限，难以有效利用太阳能，导致蒸馏效率不高。因此，通过在亚麻布中引入Fe?O?纳米颗粒，可以显著增强其吸热性能，提高水温，从而促进蒸发过程，提升蒸馏效率。

研究中，采用不同质量流量（0.29、0.45、0.75和1.3 kg/min）和两种Fe?O?纳米颗粒浓度（1%和5%）对倾斜太阳能蒸馏器的性能进行了实验分析。实验结果显示，5% Fe?O?功能化亚麻布的倾斜太阳能蒸馏器在最低质量流量（0.29 kg/min）下，平均水温达到74°C，而传统倾斜太阳能蒸馏器的平均水温仅为67°C。此外，5% Fe?O?功能化亚麻布的倾斜太阳能蒸馏器每日可产出2.96 kg/m2的淡水，相比传统倾斜太阳能蒸馏器的1.60 kg/m2，提升了近1.85倍。热效率方面，传统倾斜太阳能蒸馏器为25.25%，而5% Fe?O?功能化亚麻布的倾斜太阳能蒸馏器热效率提升至51.85%，提高了近2.45倍。同时，热力学效率也有所改善，从1.29%提升至2.8%。

值得注意的是，尽管质量流量的增加通常会导致蒸馏效率下降，因为水在蒸馏器内的停留时间减少，热能的保留也受到影响，但通过使用亚麻布这一具有增强毛细作用和热传导性的材料，这种下降趋势得到了有效的缓解。功能化的亚麻布不仅提高了水温，还增强了蒸发速率和热传递效率，从而在一定程度上抵消了高流量带来的负面影响。实验还发现，5% Fe?O?功能化亚麻布的倾斜太阳能蒸馏器的蒸发传热系数提升了55.3%，这表明其在热和质量传递性能上有了显著的改善。

从经济角度来看，5% Fe?O?功能化亚麻布的倾斜太阳能蒸馏器表现出更高的成本效益。该系统的淡水成本仅为每升0.0106美元，而传统倾斜太阳能蒸馏器的淡水成本为0.0156美元。这意味着，尽管纳米颗粒的使用会增加初期成本，但通过提升产水量和热效率，最终能够实现较低的单位成本。此外，5% Fe?O?功能化亚麻布的倾斜太阳能蒸馏器的回收期仅为101天，而传统倾斜太阳能蒸馏器的回收期则为177天。这一显著的缩短回收期表明，纳米颗粒增强的亚麻布在经济上具有可行性。

研究还通过响应面法（Response Surface Methodology, RSM）建立了预测模型，该模型能够准确预测倾斜太阳能蒸馏器的水温变化和产水量（R2 > 0.95），进一步验证了实验结果的可靠性。这表明，通过调整纳米颗粒的浓度和质量流量，可以优化倾斜太阳能蒸馏器的性能，提高其在不同条件下的效率和产水量。

此外，研究还对功能化亚麻布的特性进行了详细分析，包括X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）等方法。这些分析显示，Fe?O?纳米颗粒的加入不仅增强了亚麻布的晶体结构，还提高了其表面的热传导能力和吸水性。特别是，功能化后的亚麻布表现出更高的接触角，这有助于提高其吸水性和蒸发效率。

在实验过程中，研究者们还对不同质量流量下的环境参数进行了测量，包括太阳能辐射、环境温度、相对湿度和风速。结果显示，随着质量流量的增加，水温、吸收器温度和玻璃温度均有所下降，但功能化亚麻布的倾斜太阳能蒸馏器在所有质量流量条件下均表现出更高的温度，这表明其在提高热传递和蒸发效率方面具有显著优势。

总体而言，本研究通过将Fe?O?纳米颗粒与亚麻布结合，显著提升了倾斜太阳能蒸馏器的性能。这不仅有助于提高淡水产量，还能降低单位成本，缩短回收期，从而为大规模应用太阳能蒸馏技术提供了新的思路和材料选择。此外，该研究还强调了纳米技术在水处理领域的应用潜力，以及通过材料改良实现可持续和低成本水净化的重要性。