一种基于银纳米粒子与纤维素基质结合的柔性光热装置，用于界面太阳能蒸汽生成：重新审视废弃物，重新利用水资源

《Desalination》：A flexible photothermal device based on silver nanoparticle-integrated cellulose matrix for interfacial solar steam generation: Rethink waste and reinvigorate water

本研究利用Ag NPs负载的生物炭构建高效界面太阳能蒸汽发生器，在1kW/m2光照下实现85.1%的太阳能-蒸汽转换效率，蒸发通量达1.39 kg/m2·h，且系统在盐水中表现出良好的稳定性和耐用性。同时，材料成本低廉，易于规模化生产。

　　在当今全球面临严峻环境挑战的背景下，清洁水源和能源消耗的平衡问题变得尤为突出。淡水短缺已经成为世界范围内的重大环境难题，主要原因包括工业的快速发展以及人口的持续增长。同时，全球范围内对可再生太阳能资源的利用也变得越来越重要，因为它不仅能够提供清洁的能源，还能通过海水淡化等手段解决水资源短缺问题。在这一背景下，研究人员致力于开发高效的太阳能蒸汽生成技术，以实现更可持续的水处理和能源转换方案。

太阳能蒸汽生成（ISSG）被认为是解决上述问题的一种有前景的策略。该技术的核心在于利用太阳能将水转化为蒸汽，而无需传统的高能耗设备。传统的海水淡化技术，如多级闪蒸和反渗透，虽然有效，但往往需要大量的能源和复杂的基础设施，这使得它们在经济性和环境友好性方面存在局限。相比之下，太阳能蒸汽生成技术通过高效利用太阳能，能够在较低成本下实现高效率的水蒸发，同时减少对环境的影响。

为了提升ISSG技术的性能，研究团队探索了多种材料和结构设计。其中，光热材料在这一过程中起到了关键作用。这些材料通常具有宽光谱吸收能力，能够将太阳光有效地转化为热能，从而促进水的蒸发。近年来，研究者提出了三种提高ISSG系统性能的重要策略：首先，通过热定位技术减少蒸发区域的热损失；其次，利用具有宽光谱吸收能力的光热材料，以最大化太阳能向热能的转化；第三，通过毛细作用确保持续的水供应，以维持稳定的蒸发过程。

在这些策略中，光热材料的选择尤为关键。目前，许多ISSG系统使用碳基材料，如石墨烯氧化物、碳纳米管等，因为它们具有优异的光吸收能力、热管理性能和水传输特性。然而，这些材料的合成过程通常需要复杂的步骤和高温条件，这不仅增加了成本，也对大规模应用构成了挑战。因此，研究人员开始关注更具成本效益和可持续性的材料，以满足实际需求。

在这一背景下，研究团队提出了一种新的解决方案，即利用生物质材料作为光热材料的基础。生物质材料，如作物秸秆和果皮，通常在收获后被视为废弃物，但它们具有独特的结构和特性，可以作为高效的水传输介质。通过简单的碳化过程，这些材料可以转化为具有高光吸收能力和热管理性能的碳基材料，从而用于ISSG系统。此外，研究团队还探索了利用植物提取物作为还原剂，以实现绿色合成银纳米颗粒（Ag NPs）的过程。

在这一研究中，团队选择使用石榴皮作为生物炭（BC）的来源。石榴皮是一种常见的农业废弃物，尤其在埃及等地区，由于石榴种植广泛，其果皮的处理问题较为突出。通过提取石榴皮中的生物炭，研究团队能够获得一种具有宽光谱吸收能力的材料，同时避免了传统合成方法可能带来的环境负担。此外，石榴皮中的多酚类物质能够作为有效的还原剂，用于合成银纳米颗粒，从而提高光热材料的性能。

为了进一步提升光热材料的性能，研究团队将银纳米颗粒嵌入到合成的天然纤维中。这些天然纤维通过简单的杯铜胺法（cuprammonium process）制备，不仅成本低廉，而且具有良好的柔韧性和可塑性。这种方法能够有效减少光热材料在实际应用中的损耗，同时提高其在不同环境条件下的稳定性。实验结果显示，这种新型的Ag@BC-Rayon系统在单太阳辐射下表现出高达85.1%的太阳能到蒸汽的转换效率，并且具有1.39 kg/m2/h的高蒸发通量。此外，该系统在5分钟内就能达到44.0°C的高温，表明其具有快速的热响应能力。

在实际应用中，这种光热材料不仅能够用于海水淡化，还可以应用于其他领域，如废水处理、水净化和太阳能转换设备。其优点在于成本低廉、结构简单、易于规模化生产，并且能够与其他光热材料相结合，以实现更广泛的应用。此外，这种材料的使用还具有显著的环境效益，因为它能够将农业废弃物转化为有价值的资源，从而减少环境污染。

然而，传统的太阳能蒸汽生成系统往往需要较高的光学集中度，以产生足够的热能。这种集中度不仅增加了系统的复杂性，还提高了成本，使得它们在欠发达地区难以推广。相比之下，研究团队提出的方法通过优化材料结构和利用生物质资源，能够有效减少热损失，同时提高光吸收效率，从而实现更高效的太阳能蒸汽生成。

综上所述，这一研究提出了一种基于生物炭和银纳米颗粒的高效太阳能蒸汽生成系统，其不仅在性能上表现出色，而且在经济性和环境友好性方面具有显著优势。该系统能够快速响应太阳能输入，实现高效的水蒸发，并且具有良好的稳定性和耐用性。此外，其使用简便、成本低廉，适合大规模生产和实际应用。这种创新的解决方案为未来可持续的水资源管理和能源转换提供了新的思路和方法。