EEM | 高效耐鹽的掃帚狀竹基太陽能蒸發器：構建多尺度開放間隙以增強水傳輸和蒸汽擴散

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。太陽能界面蒸發（SIE）因無需額外能源且設備要求低，被視為解決離網地區海水淡化的有效途徑 。然而，傳統的太陽能蒸發器通常依賴固體基質內部的孔隙進行水傳輸，這種結構限制了蒸汽的逃逸 。固體孔壁無法作為有效的蒸發表面，導致蒸汽僅能通過孔隙末端擴散，易在孔口上方形成高濕度區域，從而阻礙后續的蒸汽擴散 。

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

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

研究數據

圖1：PPy-BFA的結構設計與制備展示了通過自上而下的方法制備掃帚狀蒸發器的過程。天然竹子經過化學脫木質素和解組裝后，分離成無數竹纖維，形成了定向的開放間隙（BFA），隨后進行表面PPy修飾得到PPy-BFA 。化學成分分析和FTIR光譜證實了木質素和半纖維素含量的降低 。SEM圖像顯示，天然竹子的致密結構轉變為BFA中纖維與殘留薄壁細胞構成的松散聚集體 。

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°），優于天然竹子 。（f）水傳輸測試顯示，水能在5分鐘內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波段表現出優異的光吸收能力，濕態下吸收率高達92.7% 。（c-f）光熱轉換測試顯示，干燥狀態下表面溫度迅速升高；但在濕潤狀態下，由于強烈的蒸發冷卻效應，頂面溫度僅微升至23.5°C，側面溫度甚至低于環境溫度 。這種低溫特性有助于從環境中獲取熱能。

圖4：太陽能蒸發性能（b-c）在1個太陽光照下，高度為6 cm的PPy-BFA樣品表現最佳，蒸發速率達到3.3kgm-2h-1，效率為146.7% 。這一性能優于天然竹子（PPy-bamboo）及大多數已報道的生物質基蒸發器 。（d-e）循環測試和不同光強下的測試證明了其出色的穩定性和對戶外環境的適應性 。

圖5：增強蒸發的機理分析（a）對比顯示PPy-BFA的蒸發速率是PPy-bamboo的2.6倍 。（f-g）COMSOL模擬結果表明，與內部孔隙模型相比，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域的形成，從而促進了蒸汽擴散 。

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表現出優異的耐鹽性，連續運行無鹽結晶析出，蒸發速率穩定在2.3kgm-2h-1以上。（f-i）戶外裝置測試顯示，該系統能有效生產淡水，且水質（離子濃度、有機污染物去除）均達到WHO飲用水標準 。

研究結論

本研究開發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器。通過構建多尺度的開放纖維間隙，PPy-BFA成功解決了傳統蒸發器中蒸汽擴散受阻的問題 。

1. 卓越的蒸發性能： 在1個太陽光照下，實現了3.3kgm-2h-1的高蒸發速率和146.7%的能量效率，是傳統竹基蒸發器的2.6倍 。

2. 機理解析： 開放通道結構不僅實現了快速的水傳輸，還提供了巨大的氣-液界面以促進蒸汽擴散，并通過蒸發冷卻效應降低表面溫度，從而有效從環境中收集熱能 。

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，該蒸發器在處理20 wt%高濃度鹽水時仍能保持穩定，并能有效凈化含有機染料和微生物的污水 。這項工作為設計下一代高效、低成本的離網海水淡化裝置提供了新的結構思路 。

DOI: 10.1002/eem2.70265.

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