全生物质基太阳能界面蒸发器：高效海水淡化与绿色发电的创新策略

本综述系统介绍了一种基于纤维素纳米纤维（CNF）与木质素磺酸盐（LS）的全生物质太阳能界面蒸发器，通过Fe3+配位组装构建光热层（CFL）与多孔水传输通道（CF），实现了95%的全光谱吸收率与1.91 kg m?2 h?1的高蒸发速率。该系统兼具海水淡化（去除96.6%金属离子）与热电发电（110 mV开路电压）双功能，为可持续水资源与能源共生产提供了环境友好型解决方案。

　　

1 引言

淡水短缺是全球最严峻的挑战之一，尽管地球表面约75%被水覆盖，但仅有2.5%为淡水资源，近20亿人面临淡水短缺。传统海水淡化技术如反渗透、电渗析等依赖外部能源与设备，存在高能耗与二次污染问题。太阳能作为最丰富的可再生能源，为绿色海水淡化提供了理想解决方案。其中，太阳能驱动界面蒸发技术通过将热能集中于气液界面，显著提高了能量利用效率。此外，蒸发表面与水体之间的温度梯度可通过塞贝克效应实现热电发电，使系统兼具水净化与发电双功能。

水凝胶基太阳能蒸发器通过亲水性聚合物基质与光热材料结合，既能降低蒸发焓，又能维持持续的水供应。当前研究多依赖合成聚合物（如聚乙烯醇），存在环境持久性与降解难题。纤维素纳米纤维（CNF）作为自然界最丰富的生物聚合物，具有可修饰的羟基团、高孔隙率和机械强度，成为理想替代材料。光热材料方面，贵金属、过渡金属、碳基材料等虽具优异光热性能，但合成复杂、成本高且环境兼容性差。木质素磺酸盐（LS）作为造纸副产物，富含芳香环与π-π共轭结构，可通过非辐射跃迁实现光热转换，其磺酸基团还增强亲水性并调控水分子状态，形成中间水（Intermediate Water, IW）以降低蒸发能耗。

2 结果与讨论

本研究通过Fe³⁺配位驱动CNF/Fe³⁺/LS组装成光热层（CFL）与水传输通道（CF气凝胶），构建全生物质蒸发器。FTIR与XPS分析证实Fe³⁺与羧基/酚羟基的配位作用，导致O-H伸缩振动红移与Fe 2p峰位移。UV-vis-NIR光谱显示CFL水凝胶在全波段（250–2500 nm）吸收率达95%，优于CF气凝胶（86%）。能带结构分析表明，LS与Fe³⁺配位使带隙从5.92 eV降至1.09 eV，促进电子激发与非辐射弛豫产热。

SEM显示CFL水凝胶具有多孔三维网络（孔径1–100 μm），EDS映射证实C、S、Fe元素均匀分布。孔隙率与比表面积分析（BET）显示CFL水凝胶比表面积为25.45 m² g^?1，高于CF气凝胶（15.68 m² g^?1）。接触角测试表明材料超亲水（水滴完全吸收时间<5.62 s），毛细上升实验验证其快速输水能力（6 cm/100 s）。拉曼光谱与DSC分析证实CFL水凝胶中中间水（IW）比例显著升高，降低蒸发所需能量输入。

蒸发性能测试显示，系统在1–4太阳辐射下蒸发速率线性增长，1太阳下达1.91 kg m^?2 h^?1。在3.5 wt.% NaCl溶液中连续运行5小时无盐结晶，蒸发速率稳定于1.75 kg m^?2 h^?1，归因于多孔结构的快速离子扩散。酸/碱环境（pH 2–13）下性能稳定，8小时连续实验显示无衰减。海水淡化后，Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺离子浓度降低96.6%，电阻从30.2 kΩ升至0.38 MΩ。有机染料（甲基橙/孔雀石绿）处理后透光率近100%，证明污染物去除能力。户外实验（大连海域）中蒸发速率维持1.0–2.0 kg m^?2 h^?1，100次循环后仍保持1.85 kg m^?2 h^?1。

热电发电模块利用CFL水凝胶表面与水体间温度差，在1–3太阳辐射下开路电压达0.13–0.44 V，稳定输出110 mV，可直接驱动商用风扇。户外测试中电压输出为50–72 mV，证实环境适用性。成本分析表明蒸发器生产成本为59.87美元/m²，具备规模化潜力。

3 结论

全生物质太阳能界面蒸发器通过Fe³⁺-LS配位实现高效光热转换（95%吸收率）与水状态调控（降低蒸发焓），结合多孔CF气凝胶的输水能力，达成1.91 kg m^?2 h^?1蒸发速率与96.6%脱盐率。集成热电模块进一步输出110 mV电压，为应对水资源与能源挑战提供了可持续、低成本的双功能平台。

4 实验部分

材料包括CNF（桂林启弘科技）、FeCl₃·6H₂O与LS（麦克林）。CF气凝胶通过CNF分散液与FeCl₃溶液1:1混合凝胶化后冷冻干燥制得。CFL水凝胶通过CF水凝胶浸渍LS/FeCl₃溶液（1:5 stoichiometry）3小时获得。蒸发器由CF气凝胶（水通道）、泡沫环（隔热）与表面粗糙化的CFL水凝胶（光热层）组装而成。表征手段包括SEM-EDS、XPS、FTIR、接触角、UV-vis-NIR、ICP-OES、拉曼光谱与DSC。蒸发与热电测试使用太阳能模拟器（Solar-500T）、高精度天平与红外热像仪。

致谢

研究受国家自然科学基金（224708046; 22508229; 22278049）、中国科协青年人才托举工程（2022QNRC001）、兴辽英才计划（XLYC2403126）及辽宁省高校基础科研项目（LJ212510152013）支持。

利益冲突

作者声明无利益冲突。