ENERG CONVERS MANAGE|面向协同磁热 - 光热效应界面蒸发的相变集成磁性多孔碳

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研究背景

淡水是全球可持续发展的基石，然而清洁水资源的稀缺已成为严峻的全球性挑战，影响着近半数人口的生活与发展。太阳能驱动界面蒸发技术因其高能效、低成本和结构简单等特点，被视为海水淡化和污水净化的可行途径，尤其在离岸岛屿、偏远船舶等场景具有重要应用前景。随着对可持续水生产系统需求的增长，预计未来对高效、全天候的淡水收集技术的依赖将显著提升。然而，传统太阳能界面蒸发系统受限于太阳辐射的固有间歇性与低能量密度，难以在夜间或弱光条件下维持稳定产水，这成为实现连续、可靠淡水供给的关键瓶颈。尤其是在实际环境条件下，如何有效存储太阳能并在无光照时持续释放热能，以实现相变材料的高效熔化与凝固循环，是当前界面蒸发技术走向全天候应用的核心难题。相关工作以《Phase-change-integrated magnetic porous carbon for synergistic magnetothermal and photothermal interfacial evaporation》为题发表于《Energy Conversion and Management》期刊。（JCR一区，IF=13.5）

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研究内容

研究针对太阳能驱动界面蒸发系统受限于太阳辐射的低能量密度与天然间歇性，难以实现全天候连续淡水生产的难题，提出相变集成磁性多孔碳的协同磁热‑光热界面蒸发策略，围绕三维磁相变复合材料PEG/CF/C@CoNPs开展可控制备、多模热转换与储能调控及系统集成研究，为全天候淡水生产提供高效、连续、经济的解决方案。太阳能界面蒸发技术虽具有高能效、低成本及结构简单等优势，尤其适用于离岸岛屿、渔船等场景，但其依赖白昼光照的特性导致夜间或阴雨天气下产水中断。低品位含盐水体（如海水、苦咸水）与污水资源化利用需求持续增长，传统蒸发技术能耗高、依赖稳定能源供给，无法满足分布式、可持续的水源供给体系。核心技术方面，通过以废弃PET与过渡金属钴为前驱合成Co‑MOF并碳化制备磁性多孔碳（C@CoNPs），与碳化木浆海绵骨架（CF）及聚乙二醇相变材料（PEG‑20000）经真空浸渍复合成三维PEG/CF/C@CoNPs复合材料。该复合材料光吸收率达＞90%，磁饱和度达11.77 emu/g，并通过调控C@CoNPs含量（0–16 wt%）优化热导率与储热性能，实现在16 wt%时太阳能储能效率87.78%，在12 wt%时磁热储能效率75.86%。耦合太阳能与交变磁场（AMF）加热后，5 min内可实现完全相变，相较于单一太阳能驱动，显著克服相变启动慢、储能效率低的问题。性能方面，在1 sun光照与6.6 A磁场协同作用下，界面蒸发速率达2.99 kg·m⁻²·h⁻¹（加热阶段）和1.18 kg·m⁻²·h⁻¹（冷却阶段）；提升至3 sun与8.8 A时，蒸发速率进一步提升至5.17 kg·m⁻²·h⁻¹和1.56 kg·m⁻²·h⁻¹，且在外界能源中断后仍能依靠相变材料释放潜热维持蒸发（1.34 kg·m⁻²·h⁻¹）。该体系在模拟废水处理中对多种有机染料及酸碱污染物的去除率超过99.9%，海水淡化后出水电阻达8.36 MΩ，接近WHO饮用水标准，并通过定向排盐设计有效抑制盐结晶，保障长期稳定运行。经济性评估表明，系统制造成本约565 RMB/m²，在“光‑磁”协同模式下，单日淡水产量可达13.16 L，单位产水成本显著低于市售饮用水价格，展现出良好的规模化应用潜力。该研究通过耦合可再生能源驱动的磁热转换与相变储能，突破太阳能间歇性对界面蒸发连续性的制约，为分布式、全天候淡水供给提供了材料‑系统‑调控一体化的创新途径，同时以废弃塑料资源化利用为出发点，兼具环境友好与经济可行性的双重优势。

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研究数据

图1.样品与蒸发器制备示意图：(a) PEG/CF/C@CoNPs 复合材料的制备流程；(b) 界面蒸发器的设计与装配流程。

图2. 光热-磁热耦合界面蒸发实验系统示意图

图3. 样品表面形貌与元素分布：(a–c) 磁性多孔碳（C@CoNPs）的SEM图像；(d–f) 碳化木浆骨架（CF）的SEM图像；(g–i) PEG/CF/C@CoNPs 复合材料的SEM图像；(j–m) PEG/CF/C@CoNPs 复合材料的元素分布映射，展示了C、O和Co的分布。

图4. 化学成分与官能团分析：(a) C@CoNPs、CF、PEG-20000及PEG/CF/C@CoNPs的XRD图谱；(b) PEG/CF/C@CoNPs的XPS全谱；(c-e) PEG/CF/C@CoNPs的XPS高分辨C 1 s、Co 2p及O 1s谱图；(f) C@CoNPs、CF、PEG-20000及PEG/CF/C@CoNPs的FTIR光谱。

图5. PEG与PEG/CF/C@CoNPs复合材料的热性能：（a）DSC升温曲线；（b）DSC降温曲线；（c）熔化与结晶过程的相变温度；（d）熔化焓与结晶焓；（e）80℃等温加热过程中记录的照片；（f）总负载率与PEG负载率；（g）热重分析（TGA）曲线；（h）微分热重（DTG）曲线。S0–S5分别代表纯PEG以及C@CoNPs纳米颗粒含量为0wt%、4wt%、8 wt%、12 wt%和16 wt%的PEG/CF/C@CoNPs复合材料。

图6. 不同PEG/CF/C@CoNPs复合材料的光热性能：（a）光热储能示意图；（b）CF、PEG-20000及PEG/CF/C@CoNPs复合材料的光吸收光谱（300–2500 nm）；（c）PEG/CF/C@CoNPs在2倍太阳光强照射下及黑暗环境中的温度变化曲线；（d）CF、PEG/CF及PEG/CF/C@CoNPs在不同时间点的红外热像图；（e）样品S4在不同太阳光强（1–3倍太阳光强）下的升温曲线；（f）样品S4在不同太阳光强（1–3倍太阳光强）下的红外热像图。

图7. 不同PEG/CF/C@CoNPs复合材料的磁热性能：（a）磁场辅助储能示意图；（b）磁滞回线；（c）10分钟磁热加热及30分钟冷却过程中的温度变化曲线；（d）对应的红外热像图；（e）样品S4在不同线圈电流下的升温曲线；（f）样品S4在不同线圈电流下的红外热像图。

图8. 太阳能辐照与交变磁场下的光热与磁热转换性能：（a）热能存储与释放过程示意图；（b）不同复合样品（S1–S5）的升温与降温曲线；（c）S4样品在不同条件下的升温曲线；（d）S4样品在不同条件下的红外热像图。

图9. 界面蒸发性能：(a) 界面蒸发装置示意图；(b) 不同条件下水分损失对比；(c) S4样品表面温度变化曲线；(d) S4蒸发过程中的水分损失量；(e) S4蒸发速率分析；(f) S4蒸发过程的红外热像图序列。

图10. 能量输入对热存储与界面蒸发的影响：(a) 不同太阳光强与交变磁场条件下水分质量变化；(b) 对应的界面蒸发速率；(c) 间歇性太阳光照下的界面蒸发行为；(d) 针对太阳光照间歇性及能量补偿策略的蒸发速率对比；(e) 连续30次测试循环中蒸发速率随循环次数的变化。

图11. 废水净化与抗盐污性能：(a) 蒸汽冷凝与收集系统示意图；(b–e) 酚红、亚甲基蓝、甲基橙及罗丹明B净化前后的UV-Vis吸光度对比；(f) 酸性及碱性水净化前后的pH值对比；(g) 不同蒸发条件下的盐沉积对比。

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研究结论

本研究通过相变与磁热协同策略，成功构建了一种三维磁性相变复合材料（PEG/CF/C@CoNPs），实现了全天候、高效的界面蒸发与淡水生产：该复合材料在16 wt% C@CoNPs负载下光热储能效率达87.78%，在12 wt%负载下磁热储能效率最高为75.86%；光热与磁热耦合可在5分钟内完成全相变，并在1 sun与6.6 A条件下实现蒸发速率2.99 kg·m⁻²·h⁻¹（加热阶段）与1.18 kg·m⁻²·h⁻¹（冷却阶段），在更强输入条件下进一步提升至5.17 kg·m⁻²·h⁻¹和1.56 kg·m⁻²·h⁻¹；针对太阳能间歇性问题，在光照中断时引入交变磁场加热可使蒸发速率达3.37 kg·m⁻²·h⁻¹，停止供能后仍能维持1.34 kg·m⁻²·h⁻¹的蒸发，实现了连续稳定的界面蒸发；该体系对模拟废水中多种污染物的去除率超过99.9%，海水淡化后水质接近WHO饮用水标准，且通过定向排盐设计有效抑制了盐沉积，保障了长期运行稳定性；此外，该蒸发器制造成本较低（565 RMB/m²），在“光热+磁热”协同模式下产水成本显著低于市售饮用水，具备良好的经济性与实际应用潜力。该研究为克服太阳能间歇性限制、实现全天候淡水生产提供了材料‑系统协同新思路，对推动可再生能源驱动的海水淡化与废水净化技术发展具有重要意义。

https://doi.org/10.1016/j.enconman.2025.120813

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