用于协同热液管理的层次化架构，在稳健的太阳能海水淡化系统中发挥作用

《Desalination》：Hierarchical architectures for synergistic thermal-hydraulic management in robust solar desalination

本研究开发了一种由碳纳米纤维掺杂的藻酸盐水凝胶和脲醛泡沫骨架构成的分级结构太阳能蒸发器。通过溶剂-free 浸渍交联策略，该蒸发器实现了高效的水输运、增强的太阳能吸收和稳定的界面蒸发。在1 sun条件下，其蒸发率达2.25 kg·m?2·h?1，并表现出优异的盐排斥性能。该设计为可持续的太阳能海水淡化提供了新思路。

　　

侯素阳|苏琴|叶丽萍|顾万成|唐龙成|黄学武|史永谦|薛怀国|高杰峰|严俊

扬州大学化学与材料学院，中国江苏省扬州市四望亭路180号，225002

摘要

太阳能驱动的界面蒸发（SDIE）为海水淡化提供了一种可持续的解决方案，但仍受到蒸发效率低、盐分积累和材料可持续性限制的制约。本文报道了一种结构工程化的三维蒸发器，该蒸发器由碳纳米纤维（CNFs）掺杂的海藻酸钠（SA）水凝胶组成，通过一种简便的无溶剂浸泡-交联策略均匀地固定在三聚氰胺泡沫（MF）骨架中。CNFs、SA水凝胶和MF框架的协同集成实现了高效的水传输、增强的太阳光吸收以及稳定的界面蒸发。在1太阳光强度（1000·W·m^?2）下，SA/MF/CNFs（SMC）的蒸发速率达到了2.25 kg·m^?2·h^?1，并且表现出优异的盐分排斥性能。这项工作展示了一种可持续且高效的界面蒸发器设计，为实际的太阳能淡化应用提供了有希望的途径。

引言

随着人口增长和工业扩张的加速，全球淡水资源的短缺问题日益严重，迫切需要环境可持续的水净化技术[[1], [2], [3], [4]]。太阳能驱动的界面蒸发（SDIE）通过将太阳热能集中在水-空气界面，从而减少了热量损失[[5], [6], [7]]，成为一种有前景的方法。尽管SDIE在概念上具有优势，但其实际应用仍面临三大挑战：（1）在1太阳光强度（1 kW·m^?2）下实现超过2.0 kg·m^?2·h^?1的蒸发速率；（2）在高盐度条件下保持长期的抗盐性和结构耐久性；（3）确保整个材料选择和制造过程的生态可持续性。

现有的SDIE结构受到蒸发性能、盐分耐受性和可制造性之间基本权衡的限制[[8], [9], [10], [11]]。二维（2D）蒸发器，包括碳涂层纺织品和聚合物膜，虽然结构简单且易于加工，但其有限的水传输能力和对盐结晶堵塞的敏感性使得蒸发速率低于1.5 kg·m^?2·h^?1[12,13]。尽管表面工程技术（如Janus润湿性和亲水涂层）可以延缓盐分沉积，但由于需要额外的组件，可能会降低系统效率[[14], [15], [16], [17], [18], [19]]。

尽管传统的泡沫材料由于其较大的亲水通道[[20], [21], [22]]和侧壁增强的蒸发效果[[23], [24], [25]]而成为界面蒸发器的良好选择，但它们往往无法调节水蒸气的焓变。相比之下，水凝胶的聚合物网络可以与水形成强相互作用，降低水分子蒸发所需的能量[23,26,27]。然而，水凝胶的供水能力通常与其机械性能相冲突。因此，使用泡沫作为骨架和水凝胶作为焓变调节组件，可以实现供水、低焓变和机械性能的协同提升。

更根本的是，当前的SDIE系统未能同时优化毛细驱动的水输送和垂直热限制[[28], [29], [30]]。此外，盐分管理仍然是一个未解决的瓶颈：水凝胶在高盐度下常常会坍塌，而气凝胶则会出现不可逆的孔隙堵塞，导致性能与耐久性的权衡，限制了其在实际应用中的使用[[31], [32], [33]]。

本文报道了一种可持续的、层次结构化的太阳能蒸发器，由松散网络的海藻酸钠（SA）水凝胶、三聚氰胺泡沫（MF）骨架和亲水碳纳米纤维（CNFs）组成，通过一种简便的无溶剂浸泡-交联策略制备而成。这种SA/MF/CNF（SMC）结构解耦并协同重构了关键功能域：（i）开孔的MF和低浓度的SA水凝胶建立了连续、无障碍的毛细通道，实现快速的水补充；（ii）MF的侧壁可以从环境中吸收热量。这种集成设计在1太阳光强度下实现了2.25 kg·m^?2·h^?1的稳定蒸发速率。重要的是，这种亲水且相互连接的网络促进了连续的对流流动，实现了内在的、自调节的盐分排斥，无需外部冲洗或额外组件。长期的户外测试验证了其结构稳定性、抗污染能力和操作耐久性。

材料

N-二甲基甲酰胺（DMF，分析纯度级，≥99.8%）和聚丙烯腈（PAN，分子量约为150,000）购自Aladdin Industrial Corporation。对苯二甲酸（TPA，分析纯度，≥99%）购自Energy Chemical。海藻酸钠（SA，CAS:9005-38-3，粘度：200 ± 20 mPa·s，M/G比为1，分子量：110,335 Da，分析纯度）以及氯化钙（CaCl₂和氯化钠（NaCl，分析纯度均≥99.8%）也来自Aladdin。

SMC蒸发器的制备与形态

如图1a所示，SMC蒸发器是通过一种简便的浸泡-交联策略制备的。具体来说，将MF浸入含有分散CNFs的水基SA溶液中（生产过程见图S1，图S2展示了CNFs的TEM图像）。利用MF的固有孔隙率和毛细驱动的吸收能力，SA/CNFs前体溶液迅速渗透到内部通道中，并均匀地覆盖了内部骨架和外部

结论

在这项研究中，我们通过将CNF掺杂的SA水凝胶集成到三维MF中，成功开发了一种高性能的太阳能蒸发器。该蒸发器的层次结构结合了CNFs优异的光热转换能力、MF的坚固机械完整性和毛细水传输能力，以及由Ca²⁺交联的SA形成的亲水网络。这种协同设计实现了快速的界面水输送和高效的光能到热能的转换

作者贡献声明

侯素阳：撰写——初稿，软件开发，数据整理。苏琴：软件开发，实验研究。叶丽萍：实验研究。顾万成：实验研究，资金筹集。唐龙成：实验研究。黄学武：软件开发。史永谦：资金筹集。薛怀国：资金筹集。高杰峰：撰写——审稿与编辑，监督，资金筹集。严俊：撰写——审稿与编辑，实验研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52473049）、扬州大学和江苏省的青兰项目以及江苏省自然科学基金（项目编号：BK20240934）的财政支持。