四川
通讯作者：郑庆彬教授
通讯单位：香港中文大学
https://doi.org/10.1007/s40820-025-01661-z
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太阳能蒸发（SSG）为利用太阳能生产清洁水提供了一种经济高效的解决方案。然而，将有效的热管理和水运输相结合，开发高效的太阳能蒸发器仍然是一个重大挑战。在这里，受天堂鸟茎的层次结构的启发，通过组装LM/PAN纤维制造了一个三维多尺度液态金属/聚丙烯腈（LM/PAN）蒸发器。LM颗粒的强局域化表面等离子体共振和具有互连通道的LM/PAN纤维的多孔结构导致高达90.9%的有效光吸收。因此，多尺度仿生LM/PAN蒸发器在一次太阳照射下实现了2.66 kg m−2 h−1的出色水蒸发率，太阳能效率为96.5%，盐水中的水蒸发率为2.58 kg m−2 h−1。此外，LM/PAN蒸发器对海水具有优异的净化性能，在光照下脱盐后，真实海水中Na+、Mg2+、K+和Ca2+的浓度急剧降低了三个数量级，降至7 mg L−1以下。具有分层结构的多尺度LM/PAN蒸发器可调节水的输送以及高效太阳能驱动蒸发的热管理，为先进SSG系统的结构设计原则提供了宝贵的见解。
图文解析
图1. 仿生多尺度LM/PAN蒸发器的设计。a天堂鸟茎和LM/PAN蒸发器的光学图像和示意图。b LM/PAN蒸发器制造示意图。
图2. LM/PAN纤维的微观结构。LM/PAN纤维横截面的SEM图像，b LM/PAN光纤的纵截面，c微米通道中的微米通道，b微米通道表面上的d-e多孔结构。f通道壁横截面的SEM图像和g-i相应的元素映射图像。
图3. PAN蒸发器和LM/PAN蒸发器的水输送和光热性能。a含水量随时间的变化和b PAN蒸发器和LM/PAN蒸发器中的相对饱和含水量。c LM/PAN蒸发器中的水输送示意图。d干燥和e PAN蒸发器以及LM/PAN蒸发器的UV-Vis-NIR光谱。d和e中的背景是大气质量1.5全球（AM 1.5 G）的归一化光谱太阳辐射。f水润湿前后LM/PAN蒸发器表面阳光路径示意图。g红外图像。h顶面温度随时间的变化和i PAN蒸发器和LM/PAN蒸发器中0至600秒的温差。
图4. PAN蒸发器和LM/PAN蒸发器的水传输和光热性能。a. PAN蒸发器和LM/PAN蒸发器中水分含量随时间的变化以及相对饱和水分含量。LM/PAN蒸发器中的水输送示意图。干燥、聚丙烯腈蒸发器和LM/PAN蒸发器的紫外-可见-近红外光谱。d和e中的背景是大气质量为1.5全球（AM 1.5 G）的归一化光谱太阳辐射。LM/PAN蒸发器表面在水润湿前后的阳光路径示意图。G红外图像。顶面温度随时间的变化以及PAN蒸发器和LM/PAN蒸发器之间0至600秒的温差。
图5. LM/PAN21蒸发器的实际SSG应用。a. 10小时连续蒸发试验。b LM/PAN21蒸发器在水中1个太阳下60天的蒸发试验。c LM/PAN21蒸发器在0.5、1、1.5、2太阳下的水蒸发率。d三种人工海水的质量变化与LM/PAN21蒸发器在1个太阳下的相应水蒸发率。f冷凝蒸汽收集的光学图像。g使用LM/PAN21蒸发器脱盐前后三种人工海水的盐度。虚线是世界卫生组织（世界卫生组织）饮用水的盐度标准。h脱盐前后实际海水中Na+、Mg2+、K+和Ca2+的浓度。i使用LM/PAN21蒸发器蒸发前后水中MB和MO的UV-Vis-NIR吸收光谱。j户外SSG实验。k阴天和晴天09:00至18:00的太阳辐射和l相应的水分蒸发率。
总结与展望
该文受天堂鸟茎中分层输水通道和有效热管理的启发，制造了一种由垂直排列的LM/PAN纤维组成的多尺度仿生蒸发器，该蒸发器具有多孔结构。LM/PAN蒸发器在1次太阳辐射下表现出2.66 kg m−2 h−1的出色蒸发率和96.5%的太阳能效率。高效的SSG性能归因于LM/PAN蒸发器中量身定制的水输送带来的有效能量限制。具体而言，LM/PAN蒸发器中的分级水通道调节水的分布，提供快速的水吸收和运输。此外，MD模拟验证了LM/PAN蒸发器和本体水之间的相互作用有助于调节含水量，显著降低汽化焓。此外，LM颗粒的有效光热转换和LM/PAN蒸发器中的多孔结构的协同效应使高效的太阳能利用系统能够为水蒸发提供动力。在实际应用中，独特的分级多孔结构使LM/PAN蒸发器在海水淡化和废水脱色方面具有优异的性能。同时，在室外测试中，LM/PAN蒸发器在平均太阳光照度为250和484 W m−2的情况下分别显示出1.47和1.18 kg m−2-h−1的蒸发率。简单的加工方法、优异的SSG性能和脱盐能力使LM/PAN蒸发器成为解决环境问题的潜在候选者，包括环境冷却、水分管理和污染减排。
文献信息
Sun, Y., Liu, D., Zhang, F. et al. Multiscale Biomimetic Evaporators Based on Liquid Metal/Polyacrylonitrile Composite Fibers for Highly Efficient Solar Steam Generation. Nano-Micro Lett.17, 129 (2025). https://doi.org/10.1007/s40820-025-01661-z
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