JECE|受羊肚菌启发的太阳能蒸发器，用于抗盐积累和高效的太阳能驱动界面蒸发

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研究背景

尽管地球表面的 70% 被水覆盖，但只有 2.5% 是淡水，只有不到 1% 可供人类使用。因此，全球淡水资源稀缺已成为 21 世纪最严峻的挑战之一，而人口快速增长、工业化和气候变化的不利影响进一步加剧了这一挑战。出于这个原因，研究人员在海水淡化和废水处理方面投入了大量精力，作为缓解淡水危机的有前途的方法。传统的海水淡化和废水处理技术，部分缓解了淡水短缺，但仍然是高能源密集型，严重依赖不可再生的化石燃料。这些不仅会增加温室气体排放，还会产生高昂的运营成本，限制了它们在资源受限地区的适用性 。因此，迫切需要开发可持续、低成本和节能的替代方案来解决全球淡水短缺问题。

近年来，太阳能驱动的界面蒸发技术以丰富、清洁的太阳能为驱动力，为化石能源消费带来的挑战提供了有效的解决方案，引起了研究人员的广泛关注。迄今为止，已经报道了多种用于高效太阳能驱动界面蒸发的光热转换材料，如碳基材料、陶瓷纳米材料、纳米纤维、气凝胶、水凝胶和半导体。为了满足对实用性、可扩展性和绿色可持续性日益增长的需求，迫切需要开发具有成本效益、稳定且环保的太阳能驱动界面蒸发材料。尽管研究人员已经做出了大量努力，但同时解决盐分积累问题和实现太阳能蒸发器的高效蒸发仍然是一个挑战。

在这项工作中，受桑氏菌独特生物结构的启发，我们提出了一种新型太阳能蒸发器的设计和制造，该蒸发器利用碳化秸秆作为太阳能吸收剂，而多孔聚乙烯醇 （PVA） 气凝胶基质用于隔热、水运输和蒸汽逸出。碳化秸秆有效降低了太阳能蒸发器的成本，同时将其太阳能吸收率提高到 95.2%。此外，太阳能蒸发器表面经过疏水功能化处理，以减少光热界面上的盐分积累，从而提高其水分蒸发速率和太阳能转换效率。值得注意的是，SPC 气凝胶太阳能蒸发器即使在暴露于高盐水条件下也表现出卓越的耐盐性。得益于精心的设计和独特的结构，表面功能化的 PVA/碳化秸秆 （SPC） 气凝胶太阳能蒸发器实现了高达 1.82 kg m−2 h−1 的水蒸发率在 1 个太阳照射下，太阳能转换效率高达 97.7% （1 kW m−2).值得注意的是，所设计的太阳能蒸发器不仅成功地淡化海水以符合世界卫生组织 （WHO） 饮用水标准，而且还能有效吸附重金属离子和有机污染物，从而能够高效净化废水。这种 SPC 气凝胶的设计策略使蒸发器能够实现高效率、优异的耐盐性、低成本和实用性，在海水淡化和废水净化中展示了重要的实际应用。

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主要数据

图1.太阳能蒸发器的仿生设计示意图，灵感来自羊肚菌。（a）蒸发器可采用三维互穿多孔网络结构，结合表面功能化，实现耐盐性，实现高效太阳能蒸汽产生。（b）羊肚菌启发式太阳能蒸发器的制造工艺和结构示意图。

图2.PVA、SPC-1、SPC-2 和 SPC-3 气凝胶的照片和相应的微观形貌。（a-d）摄影图像。（e-h）SEM图像。和结构示意图。

图3.气凝胶的光热转换性能。（a）绘制了200至2500 nm的气凝胶吸收光谱和AM1.5太阳光谱以供参考。（b）光热转换性能测试设备示意图。（C-D）气凝胶在1太阳照射下随时间变化的红外热成像，以及相应的表面温度变化曲线。（e）SPC-3气凝胶在不同光照强度下的表面温度随时间的变化。

图4.气凝胶的太阳能蒸汽发生性能。（a-c）1-太阳光照下气凝胶的地表温度变化曲线、实时水质量变化、蒸发速率及相应的太阳能转换效率。（D-F）不同光照强度下SPC-3气凝胶的地表温度变化曲线、实时水质量变化、蒸发速率及相应的太阳能转换效率。

图5.气凝胶的耐盐性。（a）不同盐积累情景示意图。（b）改性前后SPC-3气凝胶表面的盐积累行为。（c）在1太阳光照下表面改性前后气凝胶的蒸发速率和太阳能转换效率的比较。（d）不同光照强度下SPC-3气凝胶表面改性前后的蒸发速率和太阳能转换效率的比较。

图 6.（a） 海水淡化前后不同盐度 （1.4、3.5 和 4.1 wt%） 模拟海水中 Na 浓度。（b） Na、Mg 的浓度++2+、K 和 Ca+2+在模拟海水淡化前后。（c） Cu 的浓度2+铅2+和镉2+在模拟工业废水净化前后。（d） 纯化前后亚甲蓝和甲基橙的紫外-可见光谱。插图是纯化前后相应的数码照片。（e） SPC-3 气凝胶在 1 个太阳光照下 10 次循环的水质量变化。（f） 室外蒸发实验中 SPC-3 的日累积产水量。

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研究结论

研究者们设计并制造了一种基于 SPC 气凝胶的新型太阳能蒸发器，其灵感来自羊肚菌独特的生物结构。通过掺入碳化秸秆，复合气凝胶实现了高达95.2%的太阳能吸收率，表现出优异的光热转换能力，同时有效降低了材料成本。此外，PVA 基体的定制多孔结构确保了出色的隔热性、快速的水传输和蒸汽逸出。此外，复合气凝胶的表面疏水功能化赋予其优异的耐盐性，有效增强了太阳能蒸汽的产生性能。由于设计巧妙，基于 SPC 气凝胶的太阳能蒸发器可实现高达 1.82 kg m 的水分蒸发率−2h−1在1个太阳照明下，太阳能转换效率高达97.7%。值得注意的是，这款太阳能蒸发器不仅可以对海水进行淡化，达到世卫组织的饮用水标准，还能有效去除废水中的重金属离子和有机污染物。本研究提出了一种高效、耐盐、经济高效、实用的太阳能蒸发器开发策略，在海水淡化和废水净化中具有巨大的应用潜力。

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http://www-sciencedirect-com-s.vpn.cdut.edu.cn:8118/science/article/pii/S2213343725027587

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