EEM | 高效耐盐的扫帚状竹基太阳能蒸发器：构建多尺度开放间隙以增强水传输和蒸汽扩散

研究背景

随着人口增长和污染加剧，淡水短缺已成为全球性危机。太阳能界面蒸发（SIE）因无需额外能源且设备要求低，被视为解决离网地区海水淡化的有效途径 。然而，传统的太阳能蒸发器通常依赖固体基质内部的孔隙进行水传输，这种结构限制了蒸汽的逃逸 。固体孔壁无法作为有效的蒸发表面，导致蒸汽仅能通过孔隙末端扩散，易在孔口上方形成高湿度区域，从而阻碍后续的蒸汽扩散 。

为了解决这一问题，研究人员利用竹子的双相结构和定向排列特性，开发了一种基于竹纤维聚集体（BFA）的扫帚状太阳能蒸发器 。通过化学处理去除部分木质素和半纤维素，将竹子解构为具有多尺度开放纤维间隙的结构，并涂覆聚吡咯（PPy）以增强光吸收 。这种设计旨在利用开放的纤维间隙替代传统的内部孔隙，以同时增强水传输和蒸汽扩散效率 。

相关研究以“Highly Efficient and Salt-Tolerant Broom-like Bamboo SolarEvaporator: Constructing Multiscale Open Gaps to EnhanceWater Transportation and Vapor Diffusion”为题发表在知名期刊《Energy & Environmental Materials》上，（中科院一区TOP，JCR一区，IF=14.1）

研究数据

图1：PPy-BFA的结构设计与制备展示了通过自上而下的方法制备扫帚状蒸发器的过程。天然竹子经过化学脱木质素和解组装后，分离成无数竹纤维，形成了定向的开放间隙（BFA），随后进行表面PPy修饰得到PPy-BFA 。化学成分分析和FTIR光谱证实了木质素和半纤维素含量的降低 。SEM图像显示，天然竹子的致密结构转变为BFA中纤维与残留薄壁细胞构成的松散聚集体 。

图2：水传输性能表征（a-b）示意图和显微照片显示，开放的纤维间隙可作为水传输通道和离子交换路径，同时提供广阔的气-液界面 。（c-e）接触角测试表明，BFA具有极佳的亲水性（接触角为0°），优于天然竹子 。（f）水传输测试显示，水能在5分钟内迅速从底部传输至顶部，证明了低曲度通道的高效供水能力 。

图3：光吸收与热管理（b）PPy-BFA在200-2500 nm波段表现出优异的光吸收能力，湿态下吸收率高达92.7% 。（c-f）光热转换测试显示，干燥状态下表面温度迅速升高；但在湿润状态下，由于强烈的蒸发冷却效应，顶面温度仅微升至23.5°C，侧面温度甚至低于环境温度 。这种低温特性有助于从环境中获取热能。

图4：太阳能蒸发性能（b-c）在1个太阳光照下，高度为6 cm的PPy-BFA样品表现最佳，蒸发速率达到3.3kgm-2h-1，效率为146.7% 。这一性能优于天然竹子（PPy-bamboo）及大多数已报道的生物质基蒸发器 。（d-e）循环测试和不同光强下的测试证明了其出色的稳定性和对户外环境的适应性 。

图5：增强蒸发的机理分析（a）对比显示PPy-BFA的蒸发速率是PPy-bamboo的2.6倍 。（f-g）COMSOL模拟结果表明，与内部孔隙模型相比，开放孔隙模型（Open-pore model）具有更低的表面温度和更均匀的低浓度蒸汽分布，有效避免了高湿度区域的形成，从而促进了蒸汽扩散 。

图6：脱盐性能与水净化（a-e）在处理真实海水和高浓度盐水（20 wt% NaCl）时，PPy-BFA表现出优异的耐盐性，连续运行无盐结晶析出，蒸发速率稳定在2.3kgm-2h-1以上。（f-i）户外装置测试显示，该系统能有效生产淡水，且水质（离子浓度、有机污染物去除）均达到WHO饮用水标准 。

研究结论

本研究开发了一种基于竹纤维聚集体（BFA）的高效、耐盐扫帚状太阳能蒸发器。通过构建多尺度的开放纤维间隙，PPy-BFA成功解决了传统蒸发器中蒸汽扩散受阻的问题 。

1. 卓越的蒸发性能： 在1个太阳光照下，实现了3.3kgm-2h-1的高蒸发速率和146.7%的能量效率，是传统竹基蒸发器的2.6倍 。

2. 机理解析： 开放通道结构不仅实现了快速的水传输，还提供了巨大的气-液界面以促进蒸汽扩散，并通过蒸发冷却效应降低表面温度，从而有效从环境中收集热能 。

3. 高耐盐性与实用性： 得益于多尺度间隙和竹纤维的亲水性，该蒸发器在处理20 wt%高浓度盐水时仍能保持稳定，并能有效净化含有机染料和微生物的污水 。这项工作为设计下一代高效、低成本的离网海水淡化装置提供了新的结构思路 。

DOI: 10.1002/eem2.70265.

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