本期分享發表在ACS Nano雜志上題目為“Multifunctional Fully Biomass-Derived Bilayer Aerogel for Efficient Solar-Driven Desalination and Thermoelectricity Generation”的研究文章。

Part 1 文章簡介

太陽能界面蒸發是一種新興的太陽能收集技術，旨在解決全球能源危機和淡水短缺問題。然而，非定向流動的水不可避免地會通過熱對流充當自上而下的傳熱介質，導致蒸發性能不佳。本文提出了一種完全基于生物質的雙層多功能太陽能蒸發器，由上層木質素衍生的多孔碳（LPC）嵌入殼聚糖/木質素（CSL）復合氣凝膠層和底層親水性CS氣凝膠組成，上層具有垂直小通道。頂層的光熱和蒸發能力，加上增強的毛細管力，可實現高效蒸發。木質素的存在不僅增加了復合氣凝膠的親水性和飽和水含量，而且還可作為吸光材料的前體。底部大尺寸的CS氣凝膠通道抑制了過量的水向上層的轉移，并降低了水的汽化焓。這種獨特的設計使其能夠最大限度地利用陽光熱量并將產生的熱量局部化，同時提供充足的水供應。因此，優化的自浮式 LPC@CSL-5:5@CS 雙層氣凝膠蒸發器在一次太陽 (1 kW m–2) 輻照下實現了 1.717 kg m–2 h–1 的理想水蒸發速率和 90.63% 的能源效率。此外，設計的蒸發器還表現出持久的耐鹽性、優異的穩定性和可回收性。值得注意的是，LPC-50 mg@CSL-5:5 氣凝膠在 3 個太陽下產生 279 mV 的電壓輸出，可為電子風扇供電。整個系統既是全生物質的，又具有成本效益，這種多功能氣凝膠蒸發器顯示出大規模應用的巨大潛力，包括太陽能海水淡化、廢水凈化和熱電發電。

? Part 2 主要圖表

圖1是制備LPC@CSL@CS氣凝膠蒸發器的示意圖。

圖2是(a) LPC-50 mg@CSL-9:1、(b) LPC-50 mg@CSL-7:3、(c) LPC-50 mg@CSL-5:5 和 (d) CS 氣凝膠橫截面結構的 SEM 圖像（插圖為 CS 氣凝膠的孔徑分布）；(e) LPC@CSL-5:5 的表面；(f) LPC@CSL-5:5 的垂直截面結構；(g) LPC@CSL-5:5 的 EDS 光譜；(h) LPC@CSL-5:5 復合氣凝膠中 C、O、N 和 S 的元素映射圖像。

圖3是(a)不同樣品的FTIR光譜；(b)CS氣凝膠和LPC-50 mg@CSL-5:5氣凝膠的XPS全光譜；(c)CS氣凝膠的C 1 s光譜；(d)LPC-50 mg@CSL-5:5復合氣凝膠的C 1 s光譜；(e)LPC-50 mg@CSL@CS復合氣凝膠的壓縮應力-應變曲線；(f)LPC-50 mg@CSL@CS復合氣凝膠的飽和水含量。

圖4是（a）LPC 和 LPC-50 mg@CSL@CS 氣凝膠的 UV-vis-NIR 吸收曲線；（b）一次太陽輻射下 LPC-50 mg@CSL@CS 氣凝膠在空氣中的表面溫度變化；（c）一次太陽輻射下 LPC-50 mg@CSL@CS 氣凝膠在空氣中的紅外圖像。

圖5是(a) 1 次太陽輻射下純水和 LPC@CSL@CS 氣凝膠在濕潤狀態下隨時間的溫度升高曲線；(b) 濕潤狀態下純水和 LPC@CSL 氣凝膠頂表面的平衡溫度紅外圖像；(c) 1 次太陽照射下純水和 LPC@CSL@CS 氣凝膠中水的質量隨時間變化；(d) 文獻中其他界面蒸發器的水蒸發性能比較；(e) 純水和浸水 CS 氣凝膠的 DSC 痕跡；(f) 1 次太陽輻射下 LPC-50 mg@CSL-9:1@CS、LPC-50 mg@CSL-7:3@CS 和 LPC-50 mg@CSL-5:5@CS 的蒸發速率和能量轉換效率； （g）LPC-50 mg@CSL-5:5@CS在1次太陽輻射下的水蒸發循環測試；（h）LPC-50 mg@CSL-5:5@CS蒸發器在1-3次太陽輻射下水的質量隨時間變化；（i）LPC-50 mg@CSL-5:5@CS氣凝膠蒸發器在1-3次太陽輻射下的水蒸發速率和光轉換效率。

圖6是(a) 使用 LPC-50 mg@CSL-5:5@CS 蒸發器在不同濃度的 NaCl 水溶液中水的質量變化情況；(b) LPC-50 mg@CSL-5:5@CS 蒸發器在不同濃度的 NaCl 溶液中的蒸發速率；(c) LPC-50 mg@CSL-5:5@CS 在 3.5 wt % NaCl 溶液中，在 1 個太陽光照下，經過 30 個循環的長期穩定性；(d) 表面有鹽粉 (0.5 g) 的 LPC-50 mg@CSL-5:5@CS 蒸發器在 20 wt % NaCl 溶液中，在 1 個太陽光照下的數字圖像；(e) LPC-50 mg@CSL-5:5@CS 蒸發器在不同溶液中的蒸發速率；(f) 蒸發前后五種重金屬離子的濃度； （g）使用pH試紙比較蒸發前后酸性溶液和堿性溶液的pH值。

圖7是LPC@CSL@CS氣凝膠的太陽能蒸汽生成及抗鹽機理示意圖。

圖8是（a）大型戶外太陽能海水淡化裝置；（b）光照60分鐘后戶外蒸發過程的照片；（c）戶外測量10小時內陽光輻照強度、產水速率、環境溫度和濕度的時間變化；（d）LPC-50 mg@CSL-5:5@CS戶外淡化實驗前后模擬海水中鹽離子濃度（Na+、Mg2+、K+和Ca2+）；（e）LPC-50 mg@CSL-5:5@CS淡化實驗后四種離子的截留率。

圖9是（a）熱電裝置的數碼照片；（b）TE 發電示意圖；（c）LPC-50 mg@CSL 的 Voc；（d）LPC-50 mg@CSL-5:5 光熱氣凝膠的 Voc 和（e）Isc 的循環性能；（f）不同光強（1、2 和 3 kW m–2）下熱電裝置表面的紅外圖像；（g）不同光強（1、2 和 3 kW m–2）下熱電裝置表面與循環水之間的溫差；（h）不同光強（1、2 和 3 kW m–2）下 LPC-50 mg@CSL-5:5 的功率密度。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c01360

引用： Chen, Shilin, et al. "Multifunctional Fully Biomass-Derived Bilayer Aerogel for Efficient Solar-Driven Desalination and Thermoelectricity Generation." ACS nano (2025).

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