在微孔网络的连接节点处采用纳米仿生结构设计，以实现高效太阳能蒸汽生成

《Desalination》：Nanoarchitecturing biomimetic structure at the junction nodes of microporous network for high-efficiency solar steam generation

太阳能蒸发器通过仿生结构设计在生物质材料表面引入CuS纳米颗粒，有效提升光吸收和蒸发效率，实现3.408 kg·m?2·h?1的高蒸发率及84.83%的光热转换效率，并适应不同盐度水质和环境酸碱条件，成本仅0.11美元/吨。

　　

刘子瑞|司梦茹|刘蕾|尹贵川|莫雄|唐宗鹏|白梦娜|霍二光

江苏省高效低碳能源转换与利用重点实验室，苏州科技大学，中国苏州，215009

摘要

由于太阳能界面蒸发技术具有环保和低碳的特点，它成为了一种可持续的淡水生产解决方案。开发高效、稳定且低成本的蒸发器对于实际应用至关重要。基于生物质的、具有多孔结构的太阳能蒸发器是其中一个有前景的选择。然而，生物质蒸发器孔隙之间的光滑外部表面是影响其光吸收性能的关键因素之一。在这项研究中，通过在碱化的Zizania latifolia骨架中引入CuS，实现了具有纳米仿生结构的太阳能蒸发器。这种设计保留了基材的亲水性和水传输通道，同时通过仿生龙舌兰结构增强了光吸收能力。在单太阳辐照下，具有最佳参数（1.2 wt% CuS，1 cm高度）的蒸发器实现了3.408 kg m^?2 h^?1的高蒸发率和84.83%的光热转换效率。此外，该蒸发器表现出优异的环境适应性，能够在不同盐度（0.8–25 wt%）的水体和强酸/强碱废水中稳定运行，产生的水质符合世界卫生组织（WHO）的饮用水标准。此外，该蒸发器还具有出色的抗盐结晶能力。它可以通过动态盐平衡机制溶解表面盐晶体，并在为期三天的循环测试中保持稳定的蒸发性能（3.011–3.163 kg m^?2 h^?1）。室外实验表明，该蒸发器的日均淡水产量为23.472 kg m^?2，水生产成本极低（0.11美元 t^?1）。因此，这项工作为开发低成本、高性能的太阳能蒸发器提供了一种新的选择，使其能够适应各种水环境。

引言

作为使用最广泛的自然资源，淡水储备已不足以满足全球的日常需求，而快速工业发展进一步加剧了这一差距[1]，[2]。例如，能源行业仍然高度依赖水资源：热电厂和核电站需要大量的冷却水，而水力发电完全依赖于水资源[3]，[4]。淡水危机已成为可持续发展的最严峻挑战之一，现在威胁到人类的生存安全。

为了解决全球水资源短缺问题，将太阳能与海水淡化技术相结合是水创新的一个重要研究方向。太阳能界面蒸发技术通过将光热转换集中在蒸发界面，显著提高了能源利用效率并降低了系统能耗[5]。其发展经历了三个关键阶段[6]：最初的底部蒸发模式存在严重的导热热量损失，具有高热损失和低效率的固有局限性；中期的整体蒸发技术部分缓解了热量损失，但仍存在光热分散不良和能源利用效率低的问题；当前的界面蒸发技术通过耦合的光热-基底设计实现了高效集热和快速蒸发的最佳集成。

作为界面蒸发系统的核心功能组件，光热转换材料直接决定了整体蒸发效率。目前的光热材料主要包括：半导体材料（如TiO₂、BiVO₄ [7]，[8]，具有可调的带结构和光催化性能；碳材料（如石墨烯、碳纳米管[9]，[10]，具有宽带吸收和高导热性；聚合物（如聚吡咯、聚苯胺[11]，[12]，结合了加工能力和导热性；以及等离子体金属（如Au/Ag纳米粒子[13]，[14]，表现出表面等离子体共振和稳定性）。然而，材料的低成本和简单制备对于太阳能蒸发器的实际应用至关重要。半导体和等离子体材料往往难以合成或成本较高，而前述的碳基材料在大规模工业应用中并没有显著的成本优势。即使与木材和玉米芯等生物质材料相比，碳纳米管和氧化石墨烯也未能展现出竞争优势。因此，利用生物质或生物质废弃物制造太阳能蒸发器是一个有前景的策略。

近年来，基于生物质的蒸发器引起了广泛关注。例如，Gu等人[15]使用全木质材料制造了一种木质素/木质基太阳能蒸发器，该蒸发器的全谱太阳吸收率约为83.6%，光热转换效率为91.74%，蒸发效率为1.93 kg·m^?2·h^?1。Lu等人[16]设计了一种新型的生物质基太阳能蒸发器，由多孔木质基底、沸石咪唑啉框架-8和多巴胺组成，在单太阳辐照下达到了2.70 kg·m^?2·h^?1的蒸发率。Hu等人[17]基于木材的中孔特性构建了一种具有快速水传输和局部加热功能的木质基太阳能蒸发器。然而，大多数先前的研究仅依赖于生物质材料的原始结构，这些结构虽然适合太阳能蒸发器，但受到天然材料固有缺陷的限制。例如，生物质蒸发器孔隙之间的光滑外部表面会对其光吸收性能产生不利影响。因此，进一步设计生物质衍生太阳能蒸发器的蒸发界面仍然具有挑战性，这对于提高和精确调节光热转换性能至关重要[18]。因此，蒸发器的表面通常设计有独特的微结构以增强光吸收效率和蒸发性能。例如，Zhang等人[19]将管状Co₉S₈纳米晶体均匀嵌入到带有凹形金字塔图案的聚乙烯醇（PVA）基质中，实现了96%的光吸收率。与没有凹形金字塔的平面结构（光吸收率为91.3%）相比，这种蒸发器的光吸收率提高了4.7%，从而提高了界面蒸发器的光吸收率上限。Li等人[20]将银纳米粒子（Ag）负载在多巴胺涂层的CuOx/NiO复合材料上，该复合材料支撑在铜泡沫基底上，并开发了一种具有蜘蛛状腔结构的Ag/PDA@NiCuO/CF蒸发器，其蒸发率为1.58 kg·m^?2·h^?1

在这项研究中，选择了水生植物Zizania latifolia作为生物质基质材料，为界面蒸发器提供高效的水传输路径，从而确保蒸发界面的连续供水。为了进一步增强光吸收和光热转换性能，在蒸发界面引入了硫化铜（CuS）纳米材料。作为一种半导体材料，CuS表现出强烈的近红外局部表面等离子体共振效应，结合其低成本和高化学稳定性，为其在光热转换中的广泛应用奠定了坚实的基础[21]，[22]，[23]。通过将CuS纳米粒子物理吸附和沉积在碱化的Zizania latifolia骨架上，在蒸发界面孔隙之间的光滑外部表面构建了类似龙舌兰植物的仿生结构，从而提高了光吸收性能。因此，成功制造出了一种具有优异长期稳定性、低成本和简单制备过程的太阳能界面蒸发器。这项研究为缺乏淡水资源的地区提供了一种新颖且可持续的淡水获取方法。

实验材料

实验材料

Zizania latifolia从淘宝平台商店购买。氢氧化钠溶液（NaOH，10 wt%）、无水乙醇（C₂H₆O，>95%）、稀硝酸（HNO₃，纯度10%）和CuS颗粒均从Macklin Biochemical Technology Co., Ltd.购买。

太阳能蒸发器的制备

首先，将Zizania latifolia切成直径D = 3 cm、高度h = 4 cm的圆柱形段。将这些段浸入无水乙醇中并在室温下保持30分钟，然后清洗

结果与讨论

为了详细研究蒸发器的微观结构特征，对蒸发器进行了扫描电子显微镜（SEM）分析。如图2a所示，SEM结果清楚地显示AZL具有明确的多孔结构。表面包含许多相对较大的孔隙，并显示出丰富的凹凸和皱纹纹理。这种微观结构表明AZL表面具有良好的水传输能力

结论

本研究成功设计并开发了一种受龙舌兰形态启发的仿生太阳能蒸发器（CuS@AZL-1）。该蒸发器结合了两种不同的微观结构特征：在保留Zizania latifolia的天然微孔以保持其亲水性的同时，在蒸发界面孔隙之间的光滑外部表面构建了受龙舌兰启发的结构以增强光吸收能力。通过系统优化，实现了最佳

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52476014）和江苏省大学生创新创业培训项目资助（编号：202410332139Z）的支持。