基于藤条的太阳能蒸发器可实现3.34公斤·平方米·小时-1的蒸发速率，并通过程序控制碳化处理获得长期的耐盐性能

《Advanced Science》：Rattan-Based Solar Evaporator Hits 3.34 Kg·M?2·h?1 and Long-Term Salt Resistance via Programmed Carbonization

太阳能蒸发器开发及性能优化研究。采用梯级碳化工艺处理藤条等生物质，构建双模分级孔隙结构，显著提升蒸发效率至3.34 kg·m?2·h?1（1.69倍于未编程碳化样品）。该蒸发器在20% NaCl高盐溶液中连续运行14天，盐分积累和微生物滋生可忽略，日产量达24.49升且水质符合WHO标准。实验证实双模孔隙结构通过优化水传输与热局域化平衡，降低蒸发焓，同时碳化处理有效去除真菌营养源，提升抗霉性能。研究为离网地区提供了一种可扩展、低成本、环境友好的淡水解决方案。

　　全球水资源短缺已成为一个亟需解决的紧迫问题，尤其是在人口增长、气候变化和工业扩张的多重压力下，淡水供应的紧张局势日益加剧。根据联合国水项目（UN-Water）的最新评估，目前有22亿人无法获得安全的饮用水，预计到2050年，这一数字将上升至50亿人。水资源的缺乏不仅影响人们的日常生活，还可能对全球经济造成严重影响，例如，如果不加以控制，到本世纪中叶，全球GDP可能会减少8%，而一些脆弱地区甚至可能面临更高的损失比例。因此，开发可持续、高效且低成本的淡水净化技术显得尤为重要。在这一背景下，界面太阳能蒸发技术作为一种去中心化的解决方案，因其利用太阳光进行海水淡化和污水净化而备受关注。然而，现有的太阳能蒸发器在实际应用中仍面临诸多挑战，包括性能不足、成本高昂、结构不匹配以及长期稳定性差等问题。

为了克服这些限制，研究团队提出了一种创新的程序化碳化策略，将全球广泛存在的生物质材料（如藤条、轻木和农作物残渣）转化为高性能的太阳能蒸发器。通过采用控制梯度加热的方法，他们成功地在植物材料中构建了双模态分层多孔结构，从而优化了水的传输、热量的局部化以及蒸发所需的能量。这种结构设计显著提升了蒸发效率，使得在1太阳光照条件下，P-CDR-700蒸发器的蒸发速率达到了3.34 kg·m?2·h?1，这一数值是未经程序化碳化处理的同类蒸发器的1.69倍。此外，该蒸发器在高盐度的海水中（20 wt.% NaCl）表现出卓越的耐久性，连续户外蒸发超过14天后仍无明显的盐分积累或微生物生长。实验还表明，其每天可稳定生产约24.49升的高质量淡水，符合世界卫生组织（WHO）的饮用水标准。这为偏远地区和缺乏基础设施的社区提供了一种可扩展、环保的淡水获取途径。

现有的生物质基太阳能蒸发器（BBSEs）虽然利用了天然材料的多孔性和亲水性来促进水的流动，但其蒸发速率通常只能达到1.5 kg·m?2·h?1左右，难以满足实际需求。为了提高效率，研究人员通常采用结构工程、功能材料的集成或外部热源的引入等方法。例如，通过引入金属有机框架或碳量子点等材料，可以将蒸发速率提升至3.0 kg·m?2·h?1以上；而通过结合外部加热（如焦耳加热）也能进一步增强性能。然而，这些方法往往伴随着复杂的制造过程、较高的成本以及潜在的环境影响，例如功能材料的使用可能导致材料污染或微粒释放。此外，虽然结构优化策略（如多孔结构的改进和垂直排列的通道设计）可以提升蒸发效率，但大多数未经优化的生物质蒸发器的蒸发速率仍远低于其他类型的蒸发器，如基于水凝胶的蒸发器，其速率可以超过4 kg·m?2·h?1。

造成这一差距的主要原因之一是，水的蒸发过程需要大量能量，而自然光的能量密度有限，难以支撑高效的蒸发。因此，如何在不依赖外部能源或昂贵功能材料的情况下，通过结构设计优化来提升蒸发效率，成为当前研究的重点。研究团队通过程序化碳化处理，成功实现了对生物质材料的结构调控，从而在不引入额外材料的前提下，显著提升了蒸发性能。这种处理方式不仅保留了生物质的天然特性，还通过热处理过程引入了新的物理结构，使得材料具备更好的热管理和水分传输能力。

程序化碳化的核心在于其对多孔结构的精准调控。通过梯度加热，材料内部形成了双模态的分层多孔结构，其中微孔（6–17 μm）和大孔（178–348 μm）的协同作用是提升蒸发效率的关键。微孔结构能够促进水的毛细作用，使得水分可以快速传输到蒸发界面，而大孔则提供了低阻力的通道，有助于水蒸气的快速逸出。这种结构的优化不仅提高了水的流动速度，还有效降低了蒸发所需的能量。此外，程序化碳化过程还去除了生物质中的淀粉和木质素等营养成分，从而提升了材料的抗霉性能，使其在长时间使用中不易受到微生物污染。这些特性使得P-CDR-700蒸发器能够在恶劣环境下保持稳定性能，为长期应用提供了保障。

为了进一步验证程序化碳化对蒸发性能的影响，研究团队对多种生物质材料进行了对比实验。实验结果显示，经过程序化碳化处理的蒸发器在1太阳光照下的蒸发速率显著高于未经处理的材料。例如，在相同的实验条件下，P-CDR-700的蒸发速率达到了3.34 kg·m?2·h?1，而未经处理的材料（Un-CDR-700）仅为1.97 kg·m?2·h?1。这种性能的提升不仅源于多孔结构的优化，还与材料的光热转换效率密切相关。通过程序化碳化，材料的光吸收能力得到了增强，能够更有效地将太阳能转化为热能，从而提升蒸发效率。此外，材料的热导率略有下降，这有助于热量在蒸发界面的局部集中，减少热量的散失，进一步提高蒸发速率。

除了提升蒸发效率，程序化碳化还显著增强了蒸发器的耐盐性和自清洁能力。在高盐度的海水中（20 wt.% NaCl），P-CDR-700蒸发器表现出优异的耐久性，连续户外蒸发超过14天后仍能保持稳定的性能。这一结果与实验中观察到的微孔和大孔结构的协同作用密切相关。微孔能够持续将水分输送到蒸发界面，而大孔则允许盐分通过扩散或流动的方式返回到主体溶液中，从而避免了盐分的持续积累。此外，通过实验测试，研究人员还发现，P-CDR-700在模拟海水和实际污水（如含甲基橙和亚甲基蓝的溶液）中均表现出良好的净化能力，其对关键金属离子（如钠、镁、钾和钙）的去除效率达到了WHO饮用水标准。这一发现表明，P-CDR-700不仅适用于海水淡化，还能有效处理多种类型的污水，拓宽了其应用范围。

为了确保蒸发器的长期稳定性和实用性，研究团队还进行了为期30天的循环测试。测试过程中，蒸发器每天接受2小时的连续蒸发和22小时的干燥。结果显示，P-CDR-700的蒸发速率在整个测试周期内保持稳定，仅略有下降，而天然藤条蒸发器则在20天后开始不稳定。这说明程序化碳化处理不仅提升了蒸发效率，还增强了材料的结构稳定性，使其能够适应长期户外使用的需求。此外，研究团队还组装了一个5×5的蒸发器阵列，其在一天内的淡水产量达到了约24.49升，进一步验证了该技术在实际应用中的可扩展性。

程序化碳化处理的成功不仅在于其对蒸发性能的提升，还在于其对环境的友好性。该技术完全依赖于可再生生物质材料，并且仅需阳光作为能源，无需额外的电力或化学试剂。这使得P-CDR-700蒸发器成为一种真正可持续的淡水获取方案，特别适合那些缺乏基础设施的偏远地区。此外，由于该技术利用了全球广泛存在的生物质资源，其原料来源充足，降低了生产成本，提高了技术的可及性和可行性。

研究团队还对P-CDR-700的微观结构进行了详细分析，以揭示其性能提升的机制。通过扫描电子显微镜（SEM）和汞侵入孔隙分析（MIP）等手段，研究人员发现，程序化碳化处理后的材料形成了更为均匀的多孔结构，其孔径分布范围更广，且孔隙率显著提高。这种结构的优化使得水能够更有效地传输到蒸发界面，同时减少了热量的散失，从而提升了整体的蒸发效率。此外，材料的光吸收能力也得到了增强，能够在更广泛的光谱范围内捕获太阳光，并将其转化为热能。这些特性共同作用，使得P-CDR-700蒸发器在实际应用中表现出色。

在实际应用中，P-CDR-700蒸发器的性能不仅依赖于其结构设计，还受到环境因素的影响。例如，在模拟海水和真实污水中，蒸发器的蒸发速率会随着温度和光照强度的增加而提高。研究团队通过户外实验进一步验证了这一点，发现P-CDR-700在一天中的主要光照时段（如中午）能够达到最高蒸发速率，而在光照较弱的时段则表现稍弱。这种性能的波动性表明，蒸发器的设计需要充分考虑光照条件的变化，以确保其在不同环境下的稳定性。

综上所述，这项研究提出了一种全新的程序化碳化策略，通过精准调控生物质材料的多孔结构，显著提升了太阳能蒸发器的性能。P-CDR-700蒸发器不仅具有高效的蒸发速率，还表现出优异的耐盐性和抗霉性能，使其能够在高盐度和高微生物负荷的环境中稳定运行。此外，该技术完全依赖于可再生生物质材料和自然光，避免了传统方法中对昂贵功能材料和外部能源的依赖，为实现可持续的淡水获取提供了新的思路。研究团队的成果不仅在实验室环境下表现出色，还通过户外实验验证了其在真实条件下的可行性，具有广阔的应用前景。未来，这一技术有望在多个领域得到推广，包括海水淡化、污水处理和偏远地区的供水保障，为全球水资源短缺问题提供切实可行的解决方案。