《Desalination》：Kapok fiber-based phase change aerogel for all-day solar evaporation and synergistic hydrovoltaic generation
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本研究开发了一种基于 kapok 纤维和相变材料（PEG-Ca2?）的截角锥形气凝胶蒸发器（F-CKF@PC-Gel），通过定向冻铸策略形成发散通道结构，促进盐分从中心向边缘迁移，防止中心区域盐结晶，维持高效蒸发。在1 sun光照下，蒸发率达2.92 kg·m?2·h?1（93.5%效率），并通过潜热存储释放实现稳定暗蒸发率（0.64 kg·m?2·h?1），较传统蒸发器提升190%。同时，蒸发驱动的流体在纳米通道中形成协同水力光伏效应，输出264.5 mV开路电压，实现全天候海水淡化与绿色能源协同生产。
Jiahui Yu|Guang Liu|Meng Xia|Jinhu Zhao|Jiakai Li|Dong Wang|L.V. Li|Juanxiu Xiao
中国海南省海口市海南大学海洋技术与装备学院海洋科学与技术协同创新中心、化学与化学工程学院，热带海洋工程材料与材料评估国家重点实验室，邮编570228
摘要
太阳能驱动的界面蒸发是一种有前景的可持续淡水生产策略，但其进一步应用仍受到太阳能间歇性和盐分积累的限制。在此，我们开发了一种基于木棉纤维和相变材料（PEG-Ca2+）的圆锥形气凝胶蒸发器（F-CKF@PC-Gel），采用定向冷冻铸造技术制备。其独特的发散通道结构促进了从中心到边缘的径向盐分传输，有效诱导了边缘处的局部盐分结晶，从而保持了中心区域的清洁蒸发环境。在1太阳光照下，该蒸发器实现了2.92 kg m-2 h-1的高蒸发速率（效率为93.5%），并通过潜热储存和释放保持了0.64 kg m-2 h-1的稳定蒸发速率（比传统蒸发器高190%）。此外，通过分层纳米通道的蒸发驱动流体流动产生了264.5 mV的协同水电压，实现了全天候的淡水和电力收集。这项工作提供了一种双模式能量管理策略，以应对连续脱盐和可再生能源转换的挑战。
引言
随着全球人口持续增长、工业化加速以及气候变化加剧，淡水短缺已成为一个日益严重的全球性问题[1],[2]。在各种缓解这一危机的策略中，太阳能驱动的界面蒸发作为一种特别有前景且可持续的方法脱颖而出[3]。通过在水-蒸汽界面局部进行太阳能到热能的转换，它能够在不额外消耗机械能的情况下实现高效且连续的淡水生产，为海水淡化提供了一条清洁、低碳且经济可行的途径[4],[5],[6]。这些系统的核心是光热材料，它们负责将太阳辐射转化为局部热能。迄今为止，包括氧化石墨烯[7]、碳纳米管[8]、等离子体金属[9]、MXenes[10]、半导体[11]和基于聚合物的复合材料[12]在内的多种光热材料已被广泛研究，以提高光吸收和热管理性能。
其中，基于生物的碳材料因其可再生性、内在的分层孔隙结构和环境兼容性而备受关注[13]。经过碳化处理后，这些材料具有宽频带的太阳光吸收能力和出色的光热转换效率，能够快速将入射光转化为局部热能用于水蒸发。例如，Li等人通过简单的表面火焰处理将废弃的香蕉假茎重新利用为高效的太阳能蒸汽发生器，在1.0太阳光照下实现了2.548 kg m-2 h-1的蒸发速率[14]。同样，Sun等人利用三维结构的碳化向日葵头部实现了1.51 kg m-2 h-1的惊人蒸发速率[15]。然而，生物质衍生的蒸发器仍面临一些关键技术障碍，限制了其实际应用：（1）光热转换过程与实时太阳辐照度密切相关[16]；在光照波动或间歇的情况下，这些蒸发器无法持续稳定运行，导致累积能量利用率低和淡水产量不稳定[17]；（2）高蒸发速率会引发蒸发器表面的快速盐分结晶和积累[18]。这些密集的盐沉积物不仅会遮挡入射光，还会阻碍微通道中的水传输，从而严重降低蒸汽生成速率并缩短光热材料的使用寿命。因此，解决能源供应连续性和抗盐耐久性的双重挑战对于开发高性能太阳能蒸发器至关重要[19]。
除了淡水生产外，太阳能蒸发器还作为多功能能量转换平台具有广泛的应用前景。为了将多余的太阳辐射转化为电能，诸如盐度梯度发电[20],[21]和热电发电[22],[23]等协同技术已被广泛应用于蒸发系统中。然而，这些传统方法通常需要额外的组件，如离子交换膜或热电模块，这不可避免地增加了系统的复杂性和成本[24],[25]。更重要的是，这类硬件的集成可能会限制蒸发器的结构设计，从而降低蒸发速率并影响淡水产量。最近，基于水蒸发的水电压发电技术作为一种自发且连续的电力生成方法应运而生[26]。根据流动势和电双层（EDL）理论，该技术直接在界面蒸发过程中将水分子的动能转化为电能[27]。例如，Zhang等人开发了一种具有排列有序多孔结构的氧化石墨烯气凝胶，在7.5 wt% NaCl溶液中实现了1.44 kg m-2 h-1的蒸发速率和约170 mV的输出电压[28]；Kim等人制造了一种多孔碳基蒸发器，在海水中实现了1.88 kg m-2 h-1的蒸发速率，并产生了161 mV的开路电压[29]。然而，太阳能蒸发器的一体化设计在同时实现高蒸发速率和稳定电力生成方面仍存在瓶颈。因此，设计一种兼具高能量转换效率、结构坚固性和简化制造过程的多功能太阳能驱动平台尤为重要。
在这项研究中，受到木棉纤维自然管状结构的启发，我们开发了一种集成了能量储存和水电压发电功能的多功能CKF@PC-Gel气凝胶蒸发器。得益于其独特的圆锥形几何结构和发散通道结构，该设计促进了从中心到边缘的径向盐分传输，有效诱导了边缘处的局部盐分结晶，保持了清洁的蒸发区域。为了确保全天候的可靠性，我们策略性地集成了基于PEG的相变材料，并通过钙离子交联进行化学固定[30]，提供了卓越的防泄漏稳定性，并通过稳态潜热释放缓解了太阳能的间歇性问题。在1.0太阳光照下，该双功能系统实现了2.92 kg m-2 h-1的高纯度淡水产量和264.5 mV的强劲水电压输出，为高纯度水的协同生产和分散式绿色能源的可持续利用提供了方案。
材料
天然木棉纤维（KF）购自广西鹏才贸易有限公司。亚氯酸钠（NaClO2，80 wt%）和聚乙二醇（PEG，Mw = 6000 g/mol）由上海麦克林生化科技有限公司提供。聚乙烯醇（PVA，醇解度87.0–89.0%，粘度80.0–110.0 mPa s）和戊二醛（25%水溶液）由上海阿拉丁生化科技有限公司提供。无水氯化钙（CaCl2）由西龙化工提供
CKF@PC的形态和结构表征
CKF@PC复合材料的制备过程如图1a所示。为了验证生物质模板的结构完整性，对原始木棉纤维（KF）和碳化木棉纤维（CKF）的形态进行了表征。如图1b所示，天然KF具有独特的空心管状结构和光滑表面。经过400°C的脱木质化和碳化处理后，所得CKF保持了其完整的空腔结构，为后续过程提供了充足的内部空间
结论
总结来说，我们成功开发了一种多功能圆锥形CKF@PC-Gel蒸发器，它将全天候太阳能脱盐与可持续的水电压发电相结合。通过设计独特的圆锥形结构和发散的微通道网络，该系统成功克服了由盐分积累引起的性能瓶颈。在1.0太阳光照下，蒸发器实现了2.92 kg m-2 h-1
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（22265010）、中国博士后科学基金（GZC20230650和2024MD763974）、海南省科技专项资金（ZDYF2024SHFZ038、G20241024005E和ZDYF2023SHFZ120）、海南省自然科学基金（824CXTD424、525YXQN593、525RC702）、海南大学“一带一路”合作创新中心研究基金（XTCX2022JKC01）的支持
