研究背景

水資源短缺是影響人類生存和全球經濟發展的重大問題。太陽能驅動的界面水蒸發（SDIE）作為海水淡化、廢水凈化和水電聯產的可持續技術引起了廣泛關注，其碳足跡最小，有利于獲得清潔水。近十年來，通過對功能性光熱材料和蒸發器的合理設計，太陽能蒸發性能有了很大的提高。雖然許多具有寬帶光吸收的材料，如石墨烯基材料和MXene，可以最大限度地提高太陽能到熱量的轉換效率，但令人難以置信的是，它們的蒸發率不能達到預期的那么高。這是因為只有一部分太陽能轉化的熱量貢獻于水在液-氣界面處發生的從液體到蒸汽的相變。為了觸發蒸發，需要最小的能量來允許水分子從本體水的表面逃逸到空氣中。如果加熱不能達到這個閾值，熱能很容易被液態水和環境消耗，而沒有有效的水蒸發。因此，為了提高太陽能轉換熱的利用效率，用于水蒸發，光熱材料的結構設計應將熱量捕獲并積聚在材料內部，而不是在光熱轉換過程中散發到環境中。

典型的2D光熱材料（例如，石墨烯，MXene）通常面臨紅外范圍內的高發射率的問題，這通常導致熱輻射損失，從而降低整體光熱效率。為了抑制它們的紅外發射，應該通過引入錨定在其表面上的0D納米顆粒/簇來有效地阻擋電子的帶間躍遷。生態友好型碳量子點（CD）作為一種典型的0D碳納米材料，具有成本低、化學穩定性好、光吸收和光轉換可調等優點。此外，CD可以通過其表面功能團與多種納米材料聯合收割機結合。因此，合理地構建復雜的結構（例如，2D-0D-2D）使用0D CD和2D光熱材料將大大提高光吸收、光熱轉換、熱限制和利用，有利于上級太陽能水蒸發。此外，與許多報道的光熱材料類似，具有豐富親水基團的CD也具有通過調節水狀態來降低水蒸發焓的能力，從而進一步提高太陽能蒸發率。

相關成果以“High-Performing Clean Water Production by Rational Design ofFunctional Solar Evaporator and Vapor Condensation”為題發表在《Advanced Science》上。（IF=14.3）

研究數據

圖1.材料制備和表征。a）使用MXene、CD和rGO制備GCM的示意圖; b-e）不同放大倍數的GCM的SEM圖像和相應的EDS圖; f）插圖中所示的元素線掃描輪廓; g）GCM的TEM圖像; h）GCM中典型碳納米顆粒的HRTEM圖像; i）H-GCM @ MS的SEM圖像。

圖2.光學和光熱轉換性能。a）純水、H@MS和H-GCM@MS的DSC曲線; B）H-MS、H-rGO@MS和H-GCM@MS的UV-vis-NIR吸收光譜; c）模擬不同材料結構的熱約束效應; d）在一次太陽照射下H-MS、H-rGO@MS和H-GCM@MS的表面溫度隨時間的變化; e）在一次太陽照射下不同形狀的蒸發器中水的質量隨時間的變化。

圖3.冷凝水收集裝置。a、B）常規集水裝置和倒置式水蒸氣冷凝裝置在水蒸發過程中的照片; c）倒置式水蒸氣冷凝裝置的結構和工作原理示意圖; d）ITO玻璃和普通玻璃頂蓋在光照下的表面溫度曲線; e）冷凝器和頂蓋類型對集水率的影響; f）Al片的表面涂層對水收集速率的影響。

圖4.理論模擬分析。a和b）頂蓋初始溫度為25 °C和55 °C時集水器內部的溫度分布; c和d）頂蓋初始溫度為25 ° C和55 °C時集水器內部的熱流速度分布; e和f）頂蓋初始溫度為25 ° C和55 °C時集水器內部的蒸汽壓分布; g和h）頂蓋在初始溫度為25 ℃和55 ℃時集水器內部的蒸汽密度分布。

圖5.凝結水收集裝置的性能評價。a）收集裝置的照片; B）晴天08：00 - 18：00時記錄的室外溫度和相對濕度; c）H-GCM @MS隨時間的太陽輻射和相應的水分蒸發性能; d）收集裝置的水分收集速率和效率; e）連續5天測量的水分收集速率; f）H-GCM @MS去除有機染料RhB和MB的能力; g）用萬用表在電極間距恒定的情況下測定收集的水的純度; h）將我們的收集裝置的性能與報告的結果進行比較。

研究結論

工作通過合理設計光熱材料和蒸發器的結構以及倒置的蒸發冷凝裝置實現了高的太陽能蒸發和水收集率。通過組裝rGO、CD和MXene形成2D-0 D-2D結構的光熱材料，在太陽光照射下實現了更高的內部溫度，這提高了從光熱材料到相鄰液態水的熱傳遞效率，從而實現水的快速蒸發。光熱蒸發器被修改為具有用于向下蒸汽擴散的垂直通道，以與倒置結構的蒸汽冷凝裝置耦合，用于在底部處有效地冷凝蒸汽。此外，頂部透明蓋專門設計有相對較高的表面溫度，以推動蒸汽向下遷移，避免其表面形成水滴。蒸發器的懸浮結構確保了所有的表面都有助于水分蒸發。底部冷凝表面直接與本體水接觸用于冷卻，并且用疏水PDMS改性以促進滴狀冷凝?？偟膩碚f，這些優勢使得單級太陽能凈水器的集水率達到創紀錄的2.31 kgm?2 h?1。室外測試證實了該設備在海水淡化和廢水凈化等實際應用中的優異。

DOI: 10.1002/advs.202505008

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