Co0.05-Bi2S3/CF光热层集成冷冻铸造Al2O3垂直通道用于高效界面太阳能脱盐

《Electron》：Co0.05-Bi2S3/CF Photothermal Layer Integrated With Freeze-Cast Alumina Vertical Channels for Efficient Interfacial Solar Desalination

　　

可持续淡水生产是现代社会的主要问题之一，太阳能脱盐有望在该问题上发挥重要作用。界面太阳能脱盐（interfacial solar desalination, ISD）是一项新兴技术，需要高效光热材料（photothermal materials, PTM）吸收太阳辐射，并将含盐水从储水器输运至发生太阳光吸收的热表面，从而最小化热耗散。本研究探索了一种由位于具有垂直取向微通道的多孔氧化铝基底上的Co_0.05-Bi₂S₃/碳泡沫（carbon foam, CF）（光热材料）构成的双组分太阳能驱动界面蒸发器。冷冻铸造（freeze-casting）技术使研究人员能够制备高孔隙率基底（体积孔隙率（bulk porosity, π_b）=0.85），其特征为低热导率（thermal conductivity, k）=（1.14 ± 0.06）W m^?1 K^?1。此外，垂直取向孔道和高开孔率（open porosity, π_a=97.7%）使水沿样品快速吸收（5 s内上升14 mm），使其成为太阳能驱动界面蒸发的良好基底候选材料。通过冷冻铸造技术获得的长垂直通道所构成的多孔结构，使研究人员能够制备厚样品而不损害水传输能力，并确保相变界面（phase-change interface）处更好的热约束，从而获得高性能。性能最佳器件表现出（2.6 ± 0.2）kg m^?2 h^?1的蒸发速率（evaporation rate），该值高于文献中多数结果；由于制备简单、材料廉价以及所用技术的可扩展性，该样品成为进一步研究的有前景候选材料。

现代社会的可持续淡水生产面临严峻挑战。2022年全球有22亿人无法获得安全管理的饮用水；清洁水与卫生是联合国可持续发展目标之一，但过去十年的进展主要限于城市，农村地区约五分之四人口缺乏基本饮水服务。水短缺不仅影响福祉，还关联贫困、不平等、社会紧张、移民和冲突。地球水体约97%为盐水，脱盐是制取淡水的重要途径；传统大规模脱盐包括反渗透、多级闪蒸和多效蒸馏，但高能耗、依赖化石能源及卤水排放对水生生物造成影响。太阳能脱盐利用可再生太阳能和光热材料制取淡水，在水资源紧张且太阳辐射丰富的干旱地区具有前景。界面太阳能脱盐（interfacial solar desalination, ISD；在水-空气界面局域产热以驱动蒸发的脱盐方式）需要高效光热材料（photothermal materials, PTM）吸收太阳辐射，并将盐水从储水器输运至热表面，减少热耗散。双组分太阳能驱动界面蒸发器（bicomponent solar-driven interfacial evaporator）由光热吸收体和支撑基底组成；基底承担毛细水输运、热局域和机械稳定，其亲水性、孔隙率和低热导率影响太阳能-蒸汽转换效率。已有光热材料包括等离子体纳米颗粒、低带隙半导体和碳材料；已有基底包括纤维素、碳纤维织物、碳布及水凝胶/气凝胶等。问题是：传统脱盐能耗高、可持续性不足；界面蒸发器需同时实现高热局域、快速水输运、盐排斥和可规模化制备，厚基底常面临水传输受限与热管理之间的权衡。因此，研究人员探索以低热导、化学稳定、密度较低且孔隙率可调的氧化铝为多孔基底，并采用冷冻铸造（freeze-casting；通过定向凝固溶剂模板形成取向孔道的方法）构建垂直通道，以在不牺牲水传输的条件下制备厚样品并增强相变界面热约束。该论文发表于《Electron》。

在此背景下，研究人员将废PET衍生碳泡沫（carbon foam, CF）负载的Co-Bi₂S₃光热吸收体通过微波合成制备，并系统改变Co浓度，随后采用真空过滤将其沉积到冷冻铸造多孔Al₂O₃基底上，构建双组分蒸发器。研究比较了CF、Bi₂S₃/CF和Co_x-Bi₂S₃/CF的光热性能，优化烧结温度（1250°C与1550°C）和基底厚度（3、6、15、30 mm），并考察蒸馏水及10%、25% NaCl质量分数溶液中的脱盐性能与长期稳定性。结果表明，Co_0.05-Bi₂S₃/CF为最佳光热吸收体；1250°C烧结的氧化铝具有高孔隙率和低热导率；30 mm厚基底器件蒸发速率达（2.6 ± 0.2）kg m^?2 h^?1，太阳-热转换效率（solar-to-heat conversion efficiency, η）为（104 ± 9）%，高于多数文献报道的双组分界面蒸发器。该研究的意义在于以廉价原料、简单微波合成、冷冻铸造和真空过滤构建可扩展的高效界面太阳能脱盐器件，展示了垂直通道陶瓷基底在热管理与水输运协同优化中的潜力。

关键技术方法包括：以废PET瓶片制备CF，并通过微波法合成Co_0.05-Bi₂S₃/CF；将α-Al₂O₃粉体与PVA、PEG配成浆料，经定向冷冻、冻干、预烧结及1250°C或1550°C烧结获得垂直通道多孔基底；采用真空过滤沉积光热层；用X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）、扫描电子显微镜-能谱（SEM-EDS）、高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）、紫外-可见-近红外（UV/Vis-NIR）吸收、X射线光电子能谱（XPS）、接触角、激光闪射法（laser flash analysis, LFA）热导率、阿基米德法孔隙率和毛细吸水动力学表征；在1 sun太阳模拟器下测试蒸发与脱盐。研究不涉及生物样本队列；材料来源为废PET瓶片和商业α-Al₂O₃粉体（Sumitomo Chemical, Japan）。

研究结果如下。3.1 光热吸收层（Photothermal Absorber）：通过XRD、XPS、SEM-EDS、HR-TEM/HAADF-STEM、UV/Vis-NIR吸收、光热成像和接触角测试，研究人员发现CF呈石墨特征，Bi₂S₃为铋硫矿相；Co掺杂未改变Bi₂S₃衍射峰，Co以Co²⁺存在，形貌由细长针状变为六边形盘状。Co_0.05-Bi₂S₃/CF在250–2200 nm吸收超过95%，蒸发速率为2.35 kg m^?2 h^?1，高于Bi₂S₃/CF（1.84）和CF（1.6），表面温度更高且润湿性良好，因此被选为最佳光热吸收体。

3.2 多孔基底优化（Porous Substrate Optimization）：通过SEM、XRD、LFA热导率、Eucken模型、阿基米德法孔隙率和毛细吸水/接触角测试，研究人员观察到冷冻铸造形成垂直取向孔道（1250°C约20 μm，1550°C约10 μm且壁更厚），样品为纯α-Al₂O₃。1250°C样品具有π_b=0.85、π_a=97.7%、k=（1.14 ± 0.06）W m^?1 K^?1，5 s内水上升14 mm，10 μL液滴0.02 s被吸收；1550°C样品k=（5.14 ± 0.02）W m^?1 K^?1、孔隙率较低。1000°C样品在水中部分溶解，故选择1250°C以保证稳定性和水输运。

3.3 太阳能驱动水蒸发测试（Solar-Driven Water Evaporation Test）：通过SEM-EDS、真空过滤沉积、表面剥离测试、太阳模拟器蒸发测试、红外热成像和NaCl溶液脱盐测试，研究人员发现光热层厚约20 μm且分布较均匀，部分Al₂O₃暴露，水流通未被阻塞；5 h蒸发后膜出现干燥开裂但仍可运行。蒸发速率随基底厚度增加而提高：3、6、15、30 mm分别约为1.14±0.07、1.34±0.10、1.83±0.06、2.55±0.23 kg m^?2 h^?1，30 mm最佳值2.83±0.02，平均效率104±9%；30 mm器件侧壁和上表面温度分别为18.5°C和21.6°C，低于15 mm器件，显示冷蒸发和更好热约束。6 mm器件在10%和25% NaCl中蒸发速率分别为（1.17±0.02）和（0.74±0.01）kg m^?2 h^?1；5 h、10% NaCl测试中蒸发速率未下降，盐未堵塞孔道。与文献比较，2.6±0.2 kg m^?2 h^?1高于多数双组分蒸发器；Co₃O₄@PDA-rGO气凝胶虽达3.71，但其整个基底吸光且厚样品横向吸光与标准AM1.5G条件存在差异；本器件仅顶部沉积光热层，性能提升来自厚基底热管理和优化水流。

讨论部分指出，多孔氧化铝热导率高于聚合物气凝胶，但其孔隙率与文献范围一致；厚基底通过降低侧壁和表面温度、引入环境向器件的净热增益（冷蒸发）并减少对流和辐射热损，增强相变界面热约束；垂直通道在样品全长形成良好，使厚样品仍保持水输运。Eucken模型系统性高估实验热导率，这与Poulier et al.、Wang et al.和Ma et al.等关于多孔氧化铝热导率、孔形貌和孔隙率影响的观察一致。

研究结论翻译：本研究对双组分太阳能驱动界面蒸发器进行了完整研究。Co_0.05-Bi₂S₃/CF被选为光热吸收体。冷冻铸造技术使研究人员能够制备高度大孔氧化铝基底，其特征为高开孔率和垂直取向孔道。采用XRD验证烧结温度对孔隙率和晶粒尺寸的影响，并研究了其对热导率和器件性能的影响。低烧结温度有利于高水蒸发性能：高孔隙率（π_b=0.85）贡献低热导率（k=（1.14±0.06）W m^?1 K^?1），而垂直取向孔道和高开孔率（π_a=97.7%）使水沿样品快速吸收。吸水动力学研究证实基底的高亲水性，使水从储水器经多孔基底快速且连续地流向热吸收体。有效的热管理和受控水流是器件高性能的原因。基底厚度增加导致蒸发速率性能提高：更高的热绝缘确保相变界面处更好的热约束，从而改善热管理。此外，冷冻铸造技术使研究人员能够制备高质量样品，其特征为厘米级垂直取向通道。性能最佳器件的蒸发速率为（2.6±0.2）kg m^?2 h^?1，高于文献报道的大多数结果，使该样品成为未来研究的有前景候选材料，并指示了一种对界面太阳能脱盐技术具有高潜力的策略。