集成硼增强聚吡咯光热织物的解耦可扩展太阳能蒸发器用于高效水净化

《RSC Advances》：A decoupled and scalable solar evaporator integrating boron-enhanced polypyrrole photothermal fabric for efficient water purification

　　

界面太阳能蒸发技术在实现高光热效率、简易合成与长期稳定性三者平衡方面存在显著瓶颈。本研究提出了一种功能解耦的太阳能蒸发器设计，通过策略性层间分离解决上述问题。研究人员采用可扩展的原位聚合方法成功制备了硼纳米颗粒增强的聚吡咯涂层（B@PPy），并将其负载于棉织物基底，构建了B@PPy@CF光热材料。该蒸发器采用聚乙烯 terephthalate（PET）泡沫作为隔热层，有效降低寄生热损失。关键创新在于采用独立未改性的白色棉布作为输水通道，通过毛细作用将水从储层直接输送至蒸发界面，避免对光热表面的干扰。这种将光吸收、隔热与水供给物理分离的解耦设计实现了优异的热局域化。在1倍太阳光强（1 kW m?2）照射下，蒸发器达到1.90 kg m?2h?1的高蒸发速率，太阳能-热能转换效率达92.5%。该研究为高性能、免维护的太阳能脱盐提供了一种可扩展、材料高效且结构精巧的技术方案，为离网水净化应用提供了可行路径。

研究背景与意义

全球水资源短缺因人口增长、工业化及气候变化而加剧，传统反渗透与多级闪蒸等脱盐技术能耗高、基础设施依赖性强，难以适用于偏远地区。太阳能驱动界面蒸发（SDIE）通过将光热转换局限于气-水界面，避免了体相水加热，成为极具前景的可持续水净化方案。然而，现有光热材料如碳基材料、等离子体金属及共轭聚合物在光热效率、机械稳定性与抗盐沉积性能之间难以兼顾。例如，MXene基复合材料虽性能优异，但透明度与光热性能的协同调控困难；三维蒸发器在高盐环境中仍面临盐积累问题。硼元素因其高熔点（>2000 °C）、化学稳定性及低成本优势，相较于传统光热材料具有独特潜力。本研究发表于《RSC Advances》，旨在通过材料复合与结构创新，开发兼具高光热效率、长期稳定性与抗盐能力的太阳能蒸发器，推动离网水净化技术的实用化进程。

关键技术方法

研究人员开发了径向对称的光热蒸发器，结合疏水性PET泡沫隔热基座与亲水性棉织物输水层。通过原位聚合法制备硼增强聚吡咯（B-PPy）复合浆料，采用刷涂工艺将其负载于棉织物（CF）基底，形成B-PPy@CF光热层。利用场发射扫描电镜（FESEM）、X射线光电子能谱（XPS）及傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征材料形貌与化学结构。在模拟太阳光（AM 1.5G，1 kW m^?2）下，通过高精度天平实时监测质量变化，评估蒸发速率与光热效率。进一步测试了蒸发器在不同盐度（0-15 wt% NaCl）、染料废水、酸碱环境及实际水体中的性能，并通过户外实验验证其实际应用潜力。

研究结果

3.1 形貌分析

FESEM图像显示，纯棉纤维表面光滑且具有天然多孔交织结构，利于毛细输水。经B-PPy复合涂层后，纤维表面形成均匀粗糙的颗粒状团聚体，增强了光捕获能力。涂层保留了部分孔隙结构，确保蒸汽有效逸出，避免 vapor 滞留。

3.2 化学与结构表征

XPS与FTIR分析证实硼成功掺入聚吡咯基质。B 1s谱图中191.8 eV处的峰对应B-O键合，C 1s谱图显示C-N/C-O键的存在，表明硼与聚吡咯分子链发生相互作用。N 1s谱图中402.0 eV的单峰证实了聚吡咯骨架的氧化态结构完整性。FTIR中584.4 cm^?1与876.5 cm^?1处的B-O/B-O-B振动峰进一步验证了硼的化学结合。

3.3 热局域化与热响应

红外热成像显示，在1太阳光照下，B-PPy@CF蒸发器上表面温度在20分钟内升至40.2 °C并达到稳态，而下表面温度仅升高2.6 °C（至27.5 °C）。上表面与下表面15.9 °C的温差证实了PET泡沫隔热层的有效性，热量被高效局域于蒸发界面，大幅减少向体相水的传导热损失。

3.4 蒸发速率与效率

在1太阳光照下，B-PPy@CF蒸发器质量损失达1.90 kg m^?2h^?1，显著高于纯水（0.25 kg m^?2）、纯棉（0.8 kg m^?2）及PPy@CF（1.33 kg m^?2）。其光热转换效率达82%，接近界面蒸发系统的理论极限。蒸发性能随光照强度线性提升，在3太阳下可达3.85 kg m^?2h^?1，表明器件具有良好的光强适应性。

3.5 多样水体环境下的性能

蒸发器在各类水体中均保持高效：纯水（1.95 kg m^?2h^?1）、3.5 wt%盐水（1.80 kg m^?2h^?1）、染料废水（~1.59 kg m^?2h^?1）、酸碱溶液（~1.52 kg m^?2h^?1）。在15 wt%超高盐度下仍维持1.53 kg m^?2h^?1的蒸发速率（保持率>80%）。连续20小时运行无盐结晶可见，归因于径向对称结构促进盐分均匀扩散与持续输水。

3.6 耐久性、户外性能与脱盐

15次循环测试中蒸发速率稳定在1.90 kg m^?2h^?1，表明优异的结构与光热稳定性。户外实验（峰值光强680 W m^?2）获得1.52 kg m^?2h^?1的峰值蒸发速率。脱盐实验中，Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺离子截留率>99.9%，产水水质符合世界卫生组织（WHO）饮用水标准。

结论与讨论

本研究成功开发了一种径向对称的B-PPy@CF光热蒸发器，通过解耦设计将光吸收、隔热与输水功能物理分离，解决了寄生热损失难题。硼与聚吡咯的协同效应提升了宽带光吸收与光热转换效率，结合PET泡沫的高效隔热，实现了82%的光热效率与1.90 kg m^?2h^?1的蒸发速率。器件在超高盐度、复杂污染水体及户外环境中均表现稳定，产水纯度满足饮用标准。该工作通过材料复合与结构工程，为开发可扩展、低维护的太阳能水净化系统提供了新范式，对推动离网地区的可持续淡水供应具有重要应用价值。