研究背景

水資源短缺是影響人類生存和全球經(jīng)濟發(fā)展的重大問題。太陽能驅(qū)動的界面水蒸發(fā)（SDIE）作為海水淡化、廢水凈化和水電聯(lián)產(chǎn)的可持續(xù)技術(shù)引起了廣泛關(guān)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(fā)器的合理設(shè)計，太陽能蒸發(fā)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(zhuǎn)換效率，但令人難以置信的是，它們的蒸發(fā)率不能達到預期的那么高。這是因為只有一部分太陽能轉(zhuǎn)化的熱量貢獻于水在液-氣界面處發(fā)生的從液體到蒸汽的相變。為了觸發(fā)蒸發(fā)，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(tài)水和環(huán)境消耗，而沒有有效的水蒸發(fā)。因此，為了提高太陽能轉(zhuǎn)換熱的利用效率，用于水蒸發(fā)，光熱材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)將熱量捕獲并積聚在材料內(nèi)部，而不是在光熱轉(zhuǎn)換過程中散發(fā)到環(huán)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(nèi)的高發(fā)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(fā)射，應(yīng)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(tài)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(wěn)定性好、光吸收和光轉(zhuǎn)換可調(diào)等優(yōu)點。此外，CD可以通過其表面功能團與多種納米材料聯(lián)合收割機結(jié)合。因此，合理地構(gòu)建復雜的結(jié)構(gòu)（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(zhuǎn)換、熱限制和利用，有利于上級太陽能水蒸發(fā)。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(diào)節(jié)水狀態(tài)來降低水蒸發(fā)焓的能力，從而進一步提高太陽能蒸發(fā)率。

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

研究數(shù)據(jù)

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(shù)的GCM的SEM圖像和相應(yīng)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的熱約束效應(yīng); 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(fā)器中水的質(zhì)量隨時間的變化。

圖3.冷凝水收集裝置。a、B）常規(guī)集水裝置和倒置式水蒸氣冷凝裝置在水蒸發(fā)過程中的照片; c）倒置式水蒸氣冷凝裝置的結(jié)構(gòu)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)部的蒸汽密度分布。

圖5.凝結(jié)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(yīng)的水分蒸發(fā)性能; d）收集裝置的水分收集速率和效率; e）連續(xù)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(jié)果進行比較。

研究結(jié)論

工作通過合理設(shè)計光熱材料和蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)以及倒置的蒸發(fā)冷凝裝置實現(xiàn)了高的太陽能蒸發(fā)和水收集率。通過組裝rGO、CD和MXene形成2D-0 D-2D結(jié)構(gòu)的光熱材料，在太陽光照射下實現(xiàn)了更高的內(nèi)部溫度，這提高了從光熱材料到相鄰液態(tài)水的熱傳遞效率，從而實現(xiàn)水的快速蒸發(fā)。光熱蒸發(fā)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(jié)構(gòu)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(shè)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(fā)器的懸浮結(jié)構(gòu)確保了所有的表面都有助于水分蒸發(fā)。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。總的來說，這些優(yōu)勢使得單級太陽能凈水器的集水率達到創(chuàng)紀錄的2.31 kgm?2 h?1。室外測試證實了該設(shè)備在海水淡化和廢水凈化等實際應(yīng)用中的優(yōu)異。

DOI: 10.1002/advs.202505008

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