基于天然胶原纤维的光热水二极管蒸发器用于连续高效的太阳能蒸汽生成：Janus润湿性设计的单向水传输

研究背景

随着全球人口增长和工业扩张的持续，对清洁水的需求已经达到临界水平，超过5亿人全年都面临严重的水资源短缺。为了应对这一不断增长的需求，利用海水和废水的海水淡化和净化工艺已成为一种具有成本效益的策略。目前的海水淡化技术主要包括膜处理、离子交换、多效蒸馏、多级闪蒸、气压蒸馏、反渗透和电渗析。然而，这些传统的方法通常施加大量的能源需求，并产生与组件更换相关的重大成本。因此，人们对低成本和节能的替代技术越来越感兴趣，这些技术为淡水短缺和目前的能源危机的双重挑战提供了有希望的解决办法。

新兴的用于海水淡化的太阳能蒸发作为一种有希望缓解全球水资源短缺的方法引起了广泛关注，该方法利用了丰富的太阳能可用性，并实现了可持续的蒸汽产生。尽管基于石油的蒸汽发生器取得了重大进展，但仍有几个关键因素阻碍了它们的发展和商业应用。首先，许多太阳能蒸发器使用石油衍生材料，不仅价格相对昂贵，而且处理后会造成“白色污染”。其次，这些蒸发器的制造往往涉及有毒的有机溶剂和强酸或强碱，以达到理想的多孔结构和亲水性，这与可持续发展的原则和绿色社会的目标相矛盾。利用现有的材料和制造技术来制造高效且具有成本效益的太阳能蒸汽发生器，而不是开发全新的太阳能蒸汽发电材料，已经成为一种更有吸引力和可行的清洁水生产方法。因此，利用自然界中具有固有多孔结构、高反应活性和稳定应用性能的原材料，是制备太阳能热材料的一种非常有前途的策略。

最近，大量的研究焦点转向了高性能生物质蒸发器的开发，因为它们具有丰富的可用性、可持续性、低成本、独特的微观结构和环境友好性。木质、竹、香菇、魔芋、柚子等生物质材料因其优异的保温性能和独特的输水通道而被广泛用作输水材料。然而，大多数使用传统方法由天然材料制成的太阳能蒸发器仍然面临以下几个挑战：(a)由于液体体积中的热量耗散导致能量转换效率低；(b)制造过程的高成本和复杂性阻碍了大规模应用；(c)从堆体到蒸发表面的供水不足，影响了连续的蒸汽产生；(d)盐积累引起的效率衰减。

胶原纤维（CFs）是家畜和食品加工业的副产品，是从动物皮肤组织中提取的丰富、可持续和具有成本效益的生物质资源。作为一种很有前途的天然生物材料，碳纤维具有独特的物理化学性质，包括丰富的表面暴露的活性官能团、特殊的超亲水特性和分层组织的内在微观结构，这些都有助于其在材料科学中的广泛应用。值得注意的是，采用自顶向下的方法制备基于天然胶原纤维的功能材料的优势在于能够在宏观层面上精确控制胶原纤维的固有结构和性能。该方法通过科学设计的加工工艺，有效地将胶原纤维转化为具有特定功能和应用价值的高级材料。因此，“自上而下”的策略充分利用了胶原纤维独特的结构和性能优势。

在本研究中，通过原位聚合和喷涂技术的协同结合，将“自上而下”策略与Janus润湿性设计相结合，成功地制造了基于天然碳纤维的可持续稳定的光热水二极管蒸发器。该蒸发器，被称为P/S@P-CFs，有效地利用了天然碳纤维的固有结构和性能，以及聚吡咯（PPy），超导炭黑（SCB）和聚二甲基硅氧烷（PDMS），从而在太阳能驱动的蒸汽产生中产生卓越的性能。重要的是，由牛皮纤维编织的三维（3D）网络结构被保存下来，无需提取胶原蛋白，作为蒸发器的基本框架。CFs的固有特性，加上其多尺度孔隙结构和微观层次结构，使其具有优异的太阳能吸收率，以及高效的水分吸收和输送能力。值得注意的是，亲水性下层和疏水性上层的结合使P/S@P-CFs水二极管蒸发器具有Janus润湿性，可在运行过程中促进高效的光吸收、热定位、供水、水蒸发和自动脱盐。因此，这种直接有效的太阳能蒸发器设计策略，具有Janus润湿性，具有广泛的大规模应用潜力。

相关成果以“Natural collagen fibers-derived photothermal water-diode evaporator for continuous and efficient solar steam generation: Unidirectional water transport driven by Janus wettability design”为题发表在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》(JCR一区，中科院一区，IF=13.4)上。

研究结论

P/S@P-CFs蒸发器是通过将“自上而下”的策略与Janus润湿性设计相结合，并利用原位聚合与喷涂技术共同开发而成的。从天然皮肤中提取的胶原纤维（CFs）具有三维网络结构，作为P/S@P-CFs蒸发器的骨架框架，赋予了其高强度的机械性能和众多的结合位点。CFs的多尺度孔隙和微观层次结构，结合PPy和SCB的优异光吸收性能，使得P/S@P-CFs能够在240 ~ 2500 nm的宽波长范围内实现97.55%的显著光吸收。Janus润湿性以亲水性底层和疏水性上层为特征，有助于实现高效的局部加热和水蒸发，蒸发速率达到1.73 kg·m-2·h-1。此外，P/S@P-CFs在各种具有挑战性的环境中均展现出卓越的光热蒸发性能，包括酸性、碱性、盐水以及染料溶液，还有多种类型的家用废水中。通过体外实验进一步证实了P/S@P-CFs蒸发器收集的净化水样品具有卓越的安全性和可靠性。总体而言，P/S@P-CFs蒸发器实现了宽带光吸收、热局部化、水供应、水蒸发和自动脱盐的平衡组合。P/S@P-CFs蒸发器的综合优势使其在包括水净化、海水淡化、溶质富集和工业分离等多个领域具有重要的实际应用潜力。

研究数据

图1：P/S@P-CFs的示意图。

图2：P/S@P-CFs的化学结构和形态表征。a) P/S@P-CFs键合结构示意图；b) N-CFs、P-CFs和P/S@P-CFs的XRD谱图； c) N-CFs、P-CFs和P/S@P-CFs的FTIR光谱；d) N-CFs、P-CFs和P/S@P-CFs的XPS光谱；e) N-CFs、SCB、PPy、PDMS和P/S@P-CFs的拉曼光谱；f) P/S@P-CFs中SCB、PPy和PDMS的拉曼映射图；g–j) 表面和k, l) 截面的SEM图像，其中g, h, k)为N-CFs，i, j, l)为P/S@P-CFs；m) N-CFs和n) P/S@P-CFs表面形貌的超景深显微镜图像。

图3： P/S@P-CFs的外观、光学性能及其他基本性能。a) N-CFs、P-CFs和P/S@P-CFs的数码照片；b) N-CFs、P-CFs和P/S@P-CFs的CIE色度坐标和c) K/S值；d) N-CFs、P-CFs和P/S@P-CFs的反射光谱和e) 吸收光谱；不同用量的f) 吡咯（Py）和g) 碳黑（SCB）对P/S@P-CFs吸收光谱的影响；h) N-CFs、P-CFs和P/S@P-CFs的密度；i) N-CFs、P-CFs和P/S@P-CFs的总孔面积和平均孔径以及j) 孔径分布；k) N-CFs、P-CFs和P/S@P-CFs的热导率；l) N-CFs、P-CFs和P/S@P-CFs的拉伸应力-应变曲线；m) N-CFs、P-CFs和P/S@P-CFs的断裂伸长率和最大拉伸强度；n) N-CFs、P-CFs和P/S@P-CFs的吸水性；o) 在N2气氛下收集的N-CFs、P-CFs和P/S@P-CFs的热重分析（TGA）曲线。

图4： P/S@P-CFs的Janus润湿性能。a) N-CFs、P-CFs以及P/S@P-CFs的上层和下层的水接触角（CAs）；b) 不同用量的PDMS和SCB对P/S@P-CFs上层水接触角的影响；c) P/S@P-CFs上层在储存10周期间的水接触角；d) P/S@P-CFs上层上各种液体滴的数码照片；e) P/S@P-CFs的i)上层和ii)下层的自清洁测试的数码照片；f) P/S@P-CFs上层在储存10周前后的吸收光谱；g) P/S@P-CFs上层在自清洁测试前后的吸收光谱；h) 沙子和水冲击测试的示意图；i, k) 在不同时间下，i, j) 沙子或k, l) 水冲击测试后P/S@P-CFs上层的水接触角（CAs）和滑动角（SAs），以及j, l) 吸收光谱；i, k)中的插图数码照片分别是原始材料或第10次或第30次循环后的水接触角；m) P/S@P-CFs上层在紫外线照射300小时前后的水接触角和滑动角，以及n) 吸收光谱；o) P/S@P-CFs上层在户外暴露30天期间的水接触角和滑动角，以及p) 吸收光谱（o中的插图数码照片分别是原始材料和第30次户外暴露后的水接触角）。

图5： P/S@P-CFs在室内模拟中的太阳能驱动蒸汽生成性能。a) 定制设计的太阳能驱动水蒸发装置示意图；b) 在1.0 sun下，N-CFs和P/S@P-CFs置于聚氨酯泡沫上的数码照片和热红外图像；c) 在1.0 sun下，N-CFs、P-CFs和P/S@P-CFs的表面温度曲线；d) 在1.0 sun下，纯水、N-CFs组、P-CFs组和P/S@P-CFs组的质量变化和e) 蒸发速率及效率；f) 不同生物质衍生的太阳能热材料的蒸发速率比较；不同用量的g, h) 吡咯（Py）和i, j) 碳黑（SCB）对P/S@P-CFs在1.0 sun下的g, i) 表面温度和h, j) 对应蒸发速率的影响；k) 在不同功率的氙灯下，P/S@P-CFs的表面温度曲线和l) 对应的蒸发速率；m) P/S@P-CFs的循环蒸发速率。

图6： P/S@P-CFs在阳光下的太阳能驱动蒸汽生成行为。a) 定制装置在建筑屋顶上的数码照片；b–d) P/S@P-CFs在b) 2024年5月15日，c) 2024年5月28日，和d) 2024年5月30日的户外蒸发性能；连续在海水中蒸发8小时后的e) P-CFs和f) P/S@P-CFs的数码照片；连续在海水中蒸发8小时后的g, h) P-CFs和i, j) P/S@P-CFs表面的扫描电子显微镜（SEM）图像；k) P/S@P-CFs的工作原理；l) P/S@P-CFs在晴天、多云和阴天的户外蒸发速率；m) P/S@P-CFs在不同测试时间的户外蒸发速率。

图7：在阳光下对P/S@P-CFs产生的蒸馏水进行评估。a) i) 自制太阳能蒸馏装置的数码照片；ii) 装置在阳光下蒸发30秒前后的热红外图像；iii) 装置在阳光下蒸发10分钟前后的数码照片；b) 海水在淡化前后的K+、Na+、Ca2+、Mg2+和U6+的浓度；虚线表示世界卫生组织饮用水标准；c) 家用自来水和海水在净化前后的总溶解固体和盐度；d) P/S@P-CFs在多种液体中的户外蒸发速率；e) 酸性和碱性溶液在净化前后的pH值变化；f) 染料污染水在净化前后的紫外-可见吸收光谱和g) 数码照片；h) 厨房废水（k-wastewater）、洗衣废水（l-wastewater）和浴室废水（b-wastewater）在净化前后的数码照片和i) 总有机含量；j) 通过CCK-8实验测定的净化海水（S1）、净化厨房废水（S2）、净化洗衣废水（S3）和净化浴室废水（S4）的细胞活性；k) CCK-8实验的细胞密度显微照片，包括对照组、净化海水、净化厨房废水（k-ww）、洗衣废水（l-ww）和浴室废水（b-ww）。

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.162703

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