中大余樹東/ ACS AMI：牽牛花啟發(fā)的3D LIG/PDA紙基蒸發(fā)器用于高效太陽(yáng)能界面蒸發(fā)

淡水資源短缺是 21 世紀(jì)最嚴(yán)峻的全球性挑戰(zhàn)之一，清潔水的穩(wěn)定獲取對(duì)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展、公共健康保障以及農(nóng)業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。隨著人口增長(zhǎng)和城市化進(jìn)程加快，傳統(tǒng)海水淡化與水處理技術(shù)普遍存在能耗高、設(shè)備復(fù)雜和運(yùn)行成本高等問(wèn)題，迫切需要發(fā)展綠色、低成本且可持續(xù)的新型水資源獲取技術(shù)。界面太陽(yáng)能蒸發(fā)（Interfacial Solar Steam Generation，ISSG）技術(shù)能夠直接利用太陽(yáng)能將熱量局域化于蒸發(fā)界面，實(shí)現(xiàn)高效水蒸發(fā)過(guò)程，被認(rèn)為是極具應(yīng)用前景的清潔淡化方案。近年來(lái)，纖維素紙因其來(lái)源廣泛、生物可降解性優(yōu)異、柔性良好且加工成本低廉，逐漸成為太陽(yáng)能蒸發(fā)器理想的基底材料。然而，原始纖維素紙光吸收能力有限，通常需要引入光熱材料進(jìn)行功能化改性；同時(shí)，傳統(tǒng)二維紙基蒸發(fā)器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在有效蒸發(fā)界面面積受限、光能利用效率不足以及熱損失較大的問(wèn)題。此外，在長(zhǎng)期海水蒸發(fā)過(guò)程中，鹽分易在蒸發(fā)界面沉積并形成結(jié)晶堵塞，進(jìn)一步惡化水輸運(yùn)性能并降低蒸發(fā)效率。這些因素共同制約了二維紙基太陽(yáng)能蒸發(fā)器的性能提升與長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

相比二維結(jié)構(gòu)，三維蒸發(fā)器能夠通過(guò)多角度光捕獲增強(qiáng)光陷獲效應(yīng)，擴(kuò)大有效蒸發(fā)界面面積，并優(yōu)化水輸運(yùn)與熱管理過(guò)程，從而顯著提升整體蒸發(fā)效率。本研究受牽牛花漏斗狀花冠結(jié)構(gòu)啟發(fā)，構(gòu)建了一種基于纖維素紙的三維激光誘導(dǎo)石墨烯/聚多巴胺（LIG/PDA）太陽(yáng)能蒸發(fā)器。通過(guò) CO? 激光原位構(gòu)筑高效光熱層，并引入多巴胺自聚合修飾提升材料親水性，進(jìn)一步將二維紙基折疊為三維錐形構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)多重光反射、蒸發(fā)界面擴(kuò)展與熱管理協(xié)同優(yōu)化。在1 個(gè)太陽(yáng)輻照條件下，該蒸發(fā)器蒸發(fā)速率達(dá)到2.02 kg·m-2h-1，表觀蒸發(fā)效率高達(dá) 125.1%。同時(shí)，錐形結(jié)構(gòu)可引導(dǎo)鹽分在邊緣區(qū)域結(jié)晶脫落，有效抑制鹽結(jié)晶堵塞，顯著提升長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性。戶外測(cè)試結(jié)果表明，該裝置 8 小時(shí)淡水產(chǎn)量可達(dá)5.03 kg·m-2，淡化后水質(zhì)滿足世界衛(wèi)生組織（WHO）飲用水標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)成果以 “Morning Glory-Inspired 3D LIG/PDA Paper Evaporators for Efficient Solar Steam Generation” 為題發(fā)表在國(guó)際期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。（JCR一區(qū)，IF：8.2）上。中山大學(xué)先進(jìn)制造學(xué)院余樹東副教授為該論文通訊作者，本科生余騏旭為該論文第一作者。

圖文導(dǎo)讀

圖 1 基于纖維素紙激光誘導(dǎo)石墨烯的牽?；▎l(fā)三維（3D）錐形蒸發(fā)器制備流程示意圖。纖維素紙首先經(jīng)過(guò)磷酸鹽基阻燃劑（PFR）處理，隨后通過(guò) CO? 激光刻蝕誘導(dǎo)石墨化并形成激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）。隨后對(duì) LIG 表面進(jìn)行多巴胺自聚合改性，獲得具有親水性的 LIG/PDA 復(fù)合材料。最后將二維紙基基底裁剪并折疊成三維錐形結(jié)構(gòu)，用于太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的界面蒸發(fā)。

圖 2 PFR、LIG 與 LIG/PDA 在不同放大倍率下的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。（a–c）PFR 的 SEM 圖像，（d–f）LIG 的 SEM 圖像，（g–i）LIG/PDA 的 SEM 圖像。

圖 3 纖維素紙、LIG 與 LIG/PDA 的結(jié)構(gòu)表征、光熱轉(zhuǎn)換性能及潤(rùn)濕性能分析。（a）LIG/PDA 的 SEM 元素分布圖（C、N、O、P），顯示磷元素在材料表面的存在及其均勻分布；（b）纖維素紙、LIG 與 LIG/PDA 的 X 射線光電子能譜（XPS）全譜；（c）纖維素紙、LIG 與 LIG/PDA 的拉曼光譜；（d）纖維素紙、LIG 與 LIG/PDA 的水接觸角變化情況；（e）纖維素紙、LIG 與 LIG/PDA 的光學(xué)吸收光譜及 AM 1.5G 標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜的歸一化輻照強(qiáng)度分布；（f）在1 sun 光照條件下，纖維素紙、LIG 與 LIG/PDA 的表面溫度變化曲線。

圖 4 纖維素紙、LIG 與 LIG/PDA 二維太陽(yáng)能蒸發(fā)器的室內(nèi)蒸發(fā)性能測(cè)試結(jié)果。（a）在 1 sun 光照條件下，體相水、纖維素紙、LIG 與 LIG/PDA 的質(zhì)量變化曲線；（b）在1 sun 光照條件下，體相水、纖維素紙、LIG 與 LIG/PDA 的蒸發(fā)效率對(duì)比；c）在不同光照強(qiáng)度（0.5 sun、1 sun、1.5 sun 和 2 sun）條件下，LIG/PDA 的質(zhì)量變化曲線。

圖 5 錐形蒸發(fā)器光熱性能的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。（a）A 組與 B 組錐形蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)示意圖；（b）在濕潤(rùn)狀態(tài)下、1 sun 光照條件下，A 組錐形蒸發(fā)器的溫度場(chǎng)模擬結(jié)果；（c）在濕潤(rùn)狀態(tài)下、1 sun 光照條件下，B 組錐形蒸發(fā)器的溫度場(chǎng)模擬結(jié)果；（d）采用 TracePro 軟件模擬得到的不同錐角錐形蒸發(fā)器光吸收性能；（e）在濕潤(rùn)狀態(tài)下、1 sun 光照條件下，A 組錐形蒸發(fā)器的實(shí)驗(yàn)溫度變化曲線；（f）在濕潤(rùn)狀態(tài)下、1 sun 光照條件下，B 組錐形蒸發(fā)器的實(shí)驗(yàn)溫度變化曲線。

圖 6 模擬太陽(yáng)光照條件下三維 LIG 基蒸發(fā)器的蒸發(fā)性能、穩(wěn)定性及抗鹽性能測(cè)試結(jié)果。（a）在1 sun 光照條件下，LIG、LIG/PDA、3D-LIG 與 3D-LIG/PDA 蒸發(fā)器的質(zhì)量變化曲線；（b）在1 sun 光照條件下，體相水與 HLPA-40、HLPA-70 和 HLPA-100 錐形蒸發(fā)器的質(zhì)量變化曲線；（c）在 1 sun 光照條件下，體相水與 HLPB-40、HLPB-70 和 HLPB-100 錐形蒸發(fā)器的質(zhì)量變化曲線；（d）3D-LIG 與 3D-LIG/PDA 在去離子水中的循環(huán)蒸發(fā)穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果；（e）在1 sun 光照條件下，3D-LIG 與 3D-LIG/PDA 在不同濃度 NaCl 溶液（純水、0.8 wt.%、3.5 wt.%、7 wt.% 和 10 wt.%）中的蒸發(fā)速率對(duì)比；（f）錐形蒸發(fā)器錐體邊緣區(qū)域鹽結(jié)晶的光學(xué)照片，表明該結(jié)構(gòu)具有高效鹽分管理能力和良好的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性。

圖 7 三維 LIG/PDA 蒸發(fā)器的戶外蒸發(fā)性能測(cè)試結(jié)果。（a）戶外太陽(yáng)能海水淡化實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；（b）海水淡化前后 Na?、Mg2?、K? 和 Ca2? 離子濃度對(duì)比；（c）于 2025 年 8 月 22 日在東經(jīng) 113°57′、北緯 22°47′ 地點(diǎn)開展的戶外蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

余樹東，博士，中山大學(xué)先進(jìn)制造學(xué)院“百人計(jì)劃”副教授，碩士生導(dǎo)師。在Advanced Functional Materials、Chemical Engineering Journal、Materials Horizons、Small等期刊以第一/通訊作者發(fā)表論文29篇，包括4篇封面論文，ESI高被引論文1篇；谷歌學(xué)術(shù)引用1400余次，H指數(shù)24。主持項(xiàng)目10余項(xiàng)，其中包括2項(xiàng)國(guó)家級(jí)項(xiàng)目，5項(xiàng)省部級(jí)項(xiàng)目。曾獲得上銀優(yōu)秀機(jī)械博士論文獎(jiǎng)、廣東省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。主要從事仿生功能結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)能利用、被動(dòng)輻射冷卻等研究。

余騏旭，中山大學(xué)先進(jìn)制造學(xué)院2022級(jí)本科生。主要從事界面蒸發(fā)、仿生設(shè)計(jì)等方面的研究。在Energ. Convers. Manage、ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊以第一/第四作者發(fā)表SCI論文3篇。

論文信息

期刊：ACS Applied Materials & Interfaces

作者：Qixu Yu, Yujun Wei, Jing Zhang, Shumeng Wu, Sihui Chen, Zhijian Huang, Lelun Jiang, Junyang Tao, Guanwei Liang, Shudong Yu

DOI：10.1021/acsami.5c21947