综述：激光加工技术推动的界面型太阳能蒸发器近期取得的进展

《Materials Today》：Recent advances in interfacial solar evaporators enabled by laser processing

　　

吴书萌|于启旭|徐中信|黄志坚|魏玉军|陶俊阳|姜乐伦|赵旭江|吴建宁|于淑东

中山大学先进制造学院，中国深圳518107

摘要

界面太阳能蒸汽生成（ISSG）已成为解决全球淡水和能源挑战的一种可持续且高效的方法。激光加工作为一种多功能的精密制造技术，具有高精度、非接触操作和广泛的材料兼容性，能够构建具有定制微/纳米结构的先进ISSG蒸发器。本综述重点介绍了激光辅助材料设计和功能优化策略的最新进展，主要关注激光烧蚀、激光诱导碳化/石墨烯以及基于激光的增材制造。系统讨论了激光结构在光热吸收、热绝缘、水传输和盐管理中的作用。通过调节激光类型和处理参数，可以实现可控的表面纹理和多孔结构，从而提高界面太阳能蒸发器的蒸发性能。此外，激光处理的ISSG系统在海水淡化、太阳能发电和锂提取方面显示出巨大潜力。最后，指出了多材料集成、结构均匀性和可扩展制造方面的当前挑战，并提出了推进可持续界面太阳能蒸发技术的未来方向。

引言

随着全球淡水短缺问题的日益严重和能源危机的加剧，海水淡化已成为缓解淡水短缺的最有效方法之一。然而，传统的海水淡化技术（如反渗透和多级闪蒸）存在高能耗和二次环境污染的问题[1]，[2]。相比之下，界面太阳能蒸汽生成（ISSG）由于其绿色和高效的光热转换特性（太阳能到蒸汽的转换效率超过90%[3]，[4]，[5]），成为一种有前景的可持续淡水生产策略。通过利用光热材料在水-空气界面将太阳能转化为局部热量，ISSG能够驱动水-空气界面的相变，从而应用于海水淡化、废水净化和资源回收[6]，[7]。

然而，传统的ISSG系统在实际应用中仍面临一些挑战。首先，光吸收不足和不可避免的热量损失限制了光热转换效率[8]。其次，盐结晶和污染物沉积降低了系统的长期运行稳定性[9]。第三，ISSG设备在高盐度和多种共存离子的复杂水环境中的适应性仍然不足[10]。为了克服这些限制，研究人员通过优化光吸收、热管理和水传输路径来提高蒸发性能。因此，光热材料的设计和开发已成为主要的研究焦点。近年来，包括等离子体金属、碳材料、共轭聚合物和陶瓷在内的各种类型的光热材料得到了广泛研究[3]，[7]。此外，蒸发器的合理结构设计同样至关重要。构建周期性折纸启发结构[11]、仿生微通道[12]、多层热绝缘架构[13]、分层多孔框架[14]和悬浮蒸发器配置[15]已被证明可以有效提高ISSG性能。

为了实现这些复杂的结构，研究人员采用了多种制造技术，包括模板辅助方法[16]、冷冻铸造[17]、电纺[18]、高温碳化[19]、化学气相沉积（CVD）[20]、3D打印[21]和激光加工[22]。其中，激光加工因其高精度、出色的材料适应性和卓越的定制性[23]而成为特别有前景的方法，在ISSG系统的制造和优化中展现出巨大潜力。激光加工是一种基于高能量密度激光束与材料相互作用的先进制造技术，其中光热或光化学效应将原始基底转化为高吸收性的光热材料[24]。与传统机械加工相比，激光加工可以实现微米到纳米级的精度，从而在材料表面制造复杂的微/纳米结构[25]。此外，作为一种非接触技术，它避免了机械磨损并保持了材料的固有属性[26]。脉冲激光加工的小热影响区进一步允许精确控制改性区域，这对于热敏感材料特别有利[27]。

在界面蒸发领域，激光加工取得了一系列重大突破。通过激光烧蚀和激光诱导碳化/石墨烯（LIC/LIG），研究人员成功制造了具有低热导率和增强光吸收能力的微/纳米结构蒸发材料[28]。激光雕刻被用于在光热织物上构建微孔阵列，提高了蒸汽扩散和四侧蒸发性能[29]。在水和盐管理方面，激光结构设计能够实现亲水/疏水区域，优化离子扩散路径，甚至赋予材料抗菌性能[30]，[31]。除了功能优化外，激光加工还为蒸发器的多功能集成和可扩展制造提供了新的机会[32]，[33]。

然而，大多数现有综述主要关注传统制造方法、材料和太阳能界面蒸发器的结构，而基于激光的制造方法的全面系统总结仍然缺乏。因此，本综述旨在及时深入地概述激光处理蒸发器所取得的显著进展。我们总结了激光处理在ISSG系统中的最新进展，重点介绍了关键功能组件的结构设计和制造策略，包括光热吸收器、热绝缘层、光捕获结构和水传输通道，以改善热、光、水和盐的管理。此外，还讨论了使用不同激光类型、处理参数和基底材料制造的激光处理蒸发器的具体特性和功能。除了淡水生产外，最近的发展还将ISSG的应用扩展到了电力生产和锂提取。图1展示了本综述的总体框架，总结了激光处理界面蒸发器的制造机制、关键技术和性能优化策略。

章节摘录

加工机制

激光加工是一种高精度、可编程的制造方法，依赖于聚焦激光束与物质的相互作用[24]。通过提供极高的能量密度（10⁵–10⁷ W cm^?2用于熔化或表面改性，以及>10⁷–10⁹ W cm^?2在超快脉冲或紧密聚焦下用于烧蚀或断裂），激光可以实现非接触切割、钻孔、蚀刻和图案化[42]，[43]。在太阳能界面蒸发器的制造中，激光-材料

ISSG中的材料和结构设计原则

在本节中，我们总结了激光处理太阳能蒸发器的材料和结构设计策略，重点介绍了如何通过合理的材料选择和结构工程实现高效的热管理、宽带光吸收、连续供水和有效的盐调节，从而实现高效的太阳能淡化。

为了定量评估蒸发性能，采用蒸发率和蒸发效率作为两个关键指标

海水淡化和废水处理

海水淡化作为缓解全球水资源危机的核心技术之一，随着人口增长、工业化和气候变化变得越来越重要。太阳能界面蒸发旨在利用丰富的太阳能将海水或废水转化为淡水。激光加工通过功能分区设计，不仅提高了蒸发器的机械强度，还显著提高了其长期稳定性。例如，激光刻蚀

结论与展望

激光加工作为一种多功能且精确的制造策略，已成为高性能ISSG系统的有力工具，因为它具有出色的可控性和广泛的材料兼容性，适用于金属、碳材料、聚合物和陶瓷。通过利用光热和光化学效应，并精确控制激光参数（如能量密度、功率、波长和扫描轨迹），激光技术——包括烧蚀、LIG/LIC和激光增材制造——

CRediT作者贡献声明

吴书萌：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，概念化。于启旭：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，验证，数据管理。徐中信：资源提供，数据管理，概念化。黄志坚：验证，资源提供。魏玉军：概念化。陶俊阳：概念化。姜乐伦：监督。赵旭江：监督。吴建宁：撰写——审稿与编辑，监督，项目

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢国家自然科学基金（52405329, 52575553）；广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515010854, 2023A1515111194）；南方海洋科学与工程广东实验室（珠海）（SML2024SP007）；国家重点研发计划（2024YFB3213600）；深圳市科技计划（szbo202317）；中山大学****的支持。