CEJ|源自植物多层叶片的分级太阳界面蒸发器实现高效海水淡化

研究背景

淡水短缺是一个重大的全球性挑战，并因气候变化、快速城市化和工业扩张而加剧。为了确保持续的淡水供应，人们开始采用各种海水淡化方法（地球上海水占97%）。不同的脱盐技术已被开发出来，包括低温多效蒸馏、多级闪蒸、蒸汽压缩、反渗透膜和电渗析。然而，这些传统方法运行和维护成本高昂，并且消耗大量燃料或电力。作为一种清洁、可再生且广泛可用的能源，太阳能在驱动可持续脱盐技术方面日益受到关注。其中，太阳能驱动界面蒸发因其能够将热能局域化在水-空气界面，从而提高蒸发效率并减少向主体水体的热损失，已成为一种有前景的策略。然而，该技术的实际应用仍面临重大挑战，特别是在自然阳光下实现高蒸发速率，同时保持低成本、结构简单和材料可持续性。

传统的界面蒸发器通常依赖于经过优化的光吸收和热管理能力的工程光热材料，例如碳基气凝胶、等离子体金属和半导体复合材料。尽管这些设计显示出改进的性能，但它们通常涉及复杂的制造工艺、高昂的材料成本和有限的可扩展性。此外，许多系统仅基于直接光热转换运行，忽略了收集环境能量或回收汽化潜热的潜力——这种低效率限制了整体能量利用。为了克服这些局限性，研究人员越来越多地转向天然材料，特别是生物质衍生结构，以实现可持续和可扩展的界面蒸发。

尽管取得了些进展，大多数现有的碳化生物质基蒸发器仍然存在一些固有的局限性。首先，尽管表面改性（如磺化或结构调整）可以降低有效蒸发焓，但这些策略通常仅限于增强单级蒸发，而通过对流、辐射和传导造成的界面能量损失仍然很大。其次，许多碳化材料（如玉米芯、向日葵头和竹子）的结构本质上局限于特定的能量流动或热局域化方向，因此缺乏高效的多方向或多级能量管理能力。第三，虽然一些系统采用3D几何形状来部分回收反射或辐射能量，但缺乏连续、集成的多级结构限制了其充分利用环境热能或回收系统内潜热的能力。此外，此类系统的制造过程有时需要化学预处理或结构重建，这不仅增加了生产复杂性，还影响了材料的可持续性。因此，一个主要的挑战仍然存在：如何设计一个可扩展、低成本的界面蒸发器，它不仅能保留天然生物质的结构复杂性，还能实现全面的多级能量收集，包括太阳能捕获、环境热吸收和内部焓回收。

在本工作中，提出了一种新策略，通过简单的低温热解过程直接碳化天然植物叶片来制造分级太阳能界面蒸发器。碳化叶片保留了其原始的生物结构，赋予系统集成的太阳能吸收、毛细供水和高效蒸汽释放能力。更重要的是，保留的多尺度结构实现了级联能量利用，其中设备不仅捕获太阳能，还被动吸收环境热能并回收上层蒸发阶段的汽化焓以驱动下层区域的额外蒸发（如图1所示）。这种多层级能量收集机制使系统能够超越传统的单级蒸发极限。在1倍太阳光照下，所设计的设备实现了6.12 kg m-2h-1的创纪录蒸发速率和402%的超高光热转换效率，显著优于大多数已报道的光热系统。该系统在模拟海水淡化中还表现出强大的耐盐性和长期运行稳定性，凸显了其实际应用的潜力。它基于多级能量收集和回收，为太阳能淡化建立了新范式，为下一代高性能水净化技术铺平了道路。

相关成果以“Hierarchical solar interface evaporator derived from natural multilevel plant leaves for high-efficiency desalination”为题发表在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》上。

研究结论

提出了一种低成本且环保的光热材料装置——基于C-AL的多级蒸发器。该装置由天然植物炭化制成，其鳞片状叶片有序排列形成多级结构，并具有平行互连的微通道体系，可实现快速水分传输。该九级太阳能蒸发装置在1个太阳辐射条件下，实现402%的蒸发效率及6.12千克每平方米每小时的蒸发速率。该装置能有效净化不同浓度的模拟海水、真实海水及有机染料分子，从而实现高效饮用水生产。鉴于活性铝属于生物废弃物，且具备材料制备简易、系统性能优异的特点，本研究结果表明基于活性铝的蒸发器在太阳能盐水及废水淡化领域具有广阔应用前景。这为降低太阳能水管理系统的成本、开发环保型水净化技术提供了重要启示。

研究数据

图1.天然多级太阳能蒸发器多级植物叶片示意图。

图2.C-AL的扫描电子显微镜图像。A)C-AL柄的横断面图。B)C-AL茎的纵切面。C)鳞片的表面。(D)C-AL茎横截面积的放大图。E)C-AL阀杆纵向截面的详细视图。F)鳞片表面的放大图像。

图3. C-ALs的表征。a) C-ALs的X射线衍射图谱。b) C-ALs的拉曼光谱。c) C-ALs的紫外-可见-红外吸收光谱。d) C-ALs的傅里叶变换红外光谱。

图4. C-ALs太阳能蒸发性能的实验室测试结果。a) 1太阳辐射下纯水中C-ALs的质量变化。b, c) 1太阳辐射下3.5%（质量分数）和10%（质量分数）NaCl溶液中C-ALs的质量变化。d) C-AL800在纯水中不同强度太阳辐射下的质量变化。

图5. a) 1、3、5、7、9和11级装置在纯水中接受1太阳辐射时的质量变化。b、c) 9级装置在干燥状态和湿润状态下接受1太阳辐射时，第1、3、5、7和9级的温度上升曲线。d) 北京自然气候条件下单级、三级及九级装置的温度模拟上升曲线。e-g) 北京自然气候条件下单级、三级及九级装置的温度模拟曲线图。

图6. a) 9级装置在不同浓度NaCl溶液中的随时间变化的水量变化。b) 9级装置在不同太阳辐射条件下的随时间变化的水量变化。c) 9级装置在纯水中经1太阳辐射十次循环后的稳定性。d) 与先前生物质衍生太阳能蒸发器的蒸发速率及蒸发效率对比。

图7. C-AL800九级系统的户外蒸发与净化性能。a) 太阳能蒸发器运行10分钟前后的整体示意图。b) 海水净化前后的电阻值。c) 基于南中国海海水样本中主要离子的脱盐效率评估。d) 净化前后亚甲蓝与甲基橙的紫外-可见吸收光谱。e) 2024年11月17日中国广西南宁晴天条件下，9级C-AL800阵列设备随时间变化的光照强度与净水产率曲线。f) 2024年11月11日至16日C-AL阵列日净水产率。

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.169468

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