EEM | 高效耐鹽的掃帚狀竹基太陽能蒸發(fā)器：構(gòu)建多尺度開放間隙以增強(qiáng)水傳輸和蒸汽擴(kuò)散

研究背景

隨著人口增長和污染加劇，淡水短缺已成為全球性危機(jī)。太陽能界面蒸發(fā)（SIE）因無需額外能源且設(shè)備要求低，被視為解決離網(wǎng)地區(qū)海水淡化的有效途徑 。然而，傳統(tǒng)的太陽能蒸發(fā)器通常依賴固體基質(zhì)內(nèi)部的孔隙進(jìn)行水傳輸，這種結(jié)構(gòu)限制了蒸汽的逃逸 。固體孔壁無法作為有效的蒸發(fā)表面，導(dǎo)致蒸汽僅能通過孔隙末端擴(kuò)散，易在孔口上方形成高濕度區(qū)域，從而阻礙后續(xù)的蒸汽擴(kuò)散 。

為了解決這一問題，研究人員利用竹子的雙相結(jié)構(gòu)和定向排列特性，開發(fā)了一種基于竹纖維聚集體（BFA）的掃帚狀太陽能蒸發(fā)器 。通過化學(xué)處理去除部分木質(zhì)素和半纖維素，將竹子解構(gòu)為具有多尺度開放纖維間隙的結(jié)構(gòu)，并涂覆聚吡咯（PPy）以增強(qiáng)光吸收 。這種設(shè)計旨在利用開放的纖維間隙替代傳統(tǒng)的內(nèi)部孔隙，以同時增強(qiáng)水傳輸和蒸汽擴(kuò)散效率 。

相關(guān)研究以“Highly Efficient and Salt-Tolerant Broom-like Bamboo SolarEvaporator: Constructing Multiscale Open Gaps to EnhanceWater Transportation and Vapor Diffusion”為題發(fā)表在知名期刊《Energy & Environmental Materials》上，（中科院一區(qū)TOP，JCR一區(qū)，IF=14.1）

研究數(shù)據(jù)

圖1：PPy-BFA的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制備展示了通過自上而下的方法制備掃帚狀蒸發(fā)器的過程。天然竹子經(jīng)過化學(xué)脫木質(zhì)素和解組裝后，分離成無數(shù)竹纖維，形成了定向的開放間隙（BFA），隨后進(jìn)行表面PPy修飾得到PPy-BFA 。化學(xué)成分分析和FTIR光譜證實了木質(zhì)素和半纖維素含量的降低 。SEM圖像顯示，天然竹子的致密結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)锽FA中纖維與殘留薄壁細(xì)胞構(gòu)成的松散聚集體 。

圖2：水傳輸性能表征（a-b）示意圖和顯微照片顯示，開放的纖維間隙可作為水傳輸通道和離子交換路徑，同時提供廣闊的氣-液界面 。（c-e）接觸角測試表明，BFA具有極佳的親水性（接觸角為0°），優(yōu)于天然竹子 。（f）水傳輸測試顯示，水能在5分鐘內(nèi)迅速從底部傳輸至頂部，證明了低曲度通道的高效供水能力 。

圖3：光吸收與熱管理（b）PPy-BFA在200-2500 nm波段表現(xiàn)出優(yōu)異的光吸收能力，濕態(tài)下吸收率高達(dá)92.7% 。（c-f）光熱轉(zhuǎn)換測試顯示，干燥狀態(tài)下表面溫度迅速升高；但在濕潤狀態(tài)下，由于強(qiáng)烈的蒸發(fā)冷卻效應(yīng)，頂面溫度僅微升至23.5°C，側(cè)面溫度甚至低于環(huán)境溫度 。這種低溫特性有助于從環(huán)境中獲取熱能。

圖4：太陽能蒸發(fā)性能（b-c）在1個太陽光照下，高度為6 cm的PPy-BFA樣品表現(xiàn)最佳，蒸發(fā)速率達(dá)到3.3kgm-2h-1，效率為146.7% 。這一性能優(yōu)于天然竹子（PPy-bamboo）及大多數(shù)已報道的生物質(zhì)基蒸發(fā)器 。（d-e）循環(huán)測試和不同光強(qiáng)下的測試證明了其出色的穩(wěn)定性和對戶外環(huán)境的適應(yīng)性 。

圖5：增強(qiáng)蒸發(fā)的機(jī)理分析（a）對比顯示PPy-BFA的蒸發(fā)速率是PPy-bamboo的2.6倍 。（f-g）COMSOL模擬結(jié)果表明，與內(nèi)部孔隙模型相比，開放孔隙模型（Open-pore model）具有更低的表面溫度和更均勻的低濃度蒸汽分布，有效避免了高濕度區(qū)域的形成，從而促進(jìn)了蒸汽擴(kuò)散 。

圖6：脫鹽性能與水凈化（a-e）在處理真實海水和高濃度鹽水（20 wt% NaCl）時，PPy-BFA表現(xiàn)出優(yōu)異的耐鹽性，連續(xù)運(yùn)行無鹽結(jié)晶析出，蒸發(fā)速率穩(wěn)定在2.3kgm-2h-1以上。（f-i）戶外裝置測試顯示，該系統(tǒng)能有效生產(chǎn)淡水，且水質(zhì)（離子濃度、有機(jī)污染物去除）均達(dá)到WHO飲用水標(biāo)準(zhǔn) 。

研究結(jié)論

本研究開發(fā)了一種基于竹纖維聚集體（BFA）的高效、耐鹽掃帚狀太陽能蒸發(fā)器。通過構(gòu)建多尺度的開放纖維間隙，PPy-BFA成功解決了傳統(tǒng)蒸發(fā)器中蒸汽擴(kuò)散受阻的問題 。

1. 卓越的蒸發(fā)性能： 在1個太陽光照下，實現(xiàn)了3.3kgm-2h-1的高蒸發(fā)速率和146.7%的能量效率，是傳統(tǒng)竹基蒸發(fā)器的2.6倍 。

2. 機(jī)理解析： 開放通道結(jié)構(gòu)不僅實現(xiàn)了快速的水傳輸，還提供了巨大的氣-液界面以促進(jìn)蒸汽擴(kuò)散，并通過蒸發(fā)冷卻效應(yīng)降低表面溫度，從而有效從環(huán)境中收集熱能 。

3. 高耐鹽性與實用性： 得益于多尺度間隙和竹纖維的親水性，該蒸發(fā)器在處理20 wt%高濃度鹽水時仍能保持穩(wěn)定，并能有效凈化含有機(jī)染料和微生物的污水 。這項工作為設(shè)計下一代高效、低成本的離網(wǎng)海水淡化裝置提供了新的結(jié)構(gòu)思路 。

DOI: 10.1002/eem2.70265.

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