通过孔隙工程调控的一体化碳泡沫用于平方米级太阳能蒸发

《Desalination》：Programmed all-in-one carbon foam through pore engineering for square-meter scale solar evaporation

　　通过发酵-碳化法制备了具有可调孔结构的碳泡沫蒸发器。CFTP-3表现出1.56 kg m?2 h?1的高蒸发速率和操作稳定性。优异的蒸发性能源于水传输和热管理的协同调节。CFTP-3的淡水生产成本远低于单槽太阳能蒸馏器。引言淡水是整个社会最重要的资源，也是人类生存和发展的必需物质[1]，[2]。为缓解淡水短缺的压力，包括反渗透、多效蒸馏和多级闪蒸在内的各种海水淡化技术已被开发出来，作为扩大淡水资源的可利用性和增加淡水数量的重要途径[3]，[4]。然而，这些传统技术能耗高、资本密集。太阳能驱动界面蒸发（SIE）已成为一种有前景的淡水收集技术，有潜力减少对传统高能耗淡化工艺的依赖[5]，[6]。SIE系统的典型配置主要包括太阳能吸收体（即光热材料）、亲水性基底和隔热支撑。近期对SIE的研究集中于利用具有高效宽带光吸收的光热材料在水/空气界面进行局部加热，例如基于金属材料和碳基材料等[7]，[8]。例如，Qiao等人[9]合成了银纳米颗粒改性的浮动碳布，显示出92.82%的光热转换效率。此外，还开发了涉及化学改性和结构设计的多种策略，通过提高光热转换、抑制热损失、优化供水和增强耐盐性来改善SIE系统的蒸发性能。Lin等人[10]发现，由于其高波长选择性和低热导率，三维结构石墨烯超材料可实现1.5 kg·m?2·h?1的蒸发速率和96.2%的蒸发效率。尽管取得了这些进展，但大多数蒸发器的大规模应用潜力仍受到高成本、多组分和复杂制备工艺的限制[11]，[12]。因此，开发一种在更均匀的组分中实现光热转换、水传输和耐盐结晶平衡的一体化SIE设备将是更有前景的方法。生物质衍生碳的丰富性、可再生性和可生物降解性使其在制备低成本、环境友好的SIE系统方面具有吸引力[13]，[14]。Xu等人[15]制备了碳化蘑菇作为太阳能蒸发器，其蒸发速率为1.48 kg·m?2·h?1，蒸发效率为78%。Kuang等人[16]报道了一种基于碳化椴木的排盐蒸发器，在1个太阳辐照下、20 wt% NaCl溶液中连续太阳能蒸发100小时，显示出高效蒸汽生成（约75%效率）。大多数已报道的生物质衍生碳蒸发器依赖于生物材料的天然结构，这种结构可同时充当太阳能吸收体、泵水通道和隔热体[17]。然而，固有的形态和内部结构使得难以实现热管理、水传输和盐扩散之间的权衡，导致蒸发性能平庸[18]。因此，对生物质衍生碳蒸发器的内部孔结构进行编程，有望优化界面蒸发过程中的能量-水关系，以推进太阳能海水淡化的实际应用。然而，相关探索仍然很少。在本工作中，提出了一种以面粉为原料的简单有效的发酵-碳化工艺，用于合成具有可调孔结构的生物质衍生碳泡沫（CFTP-x），并将其用作SIE的一体化蒸发器。研究了发酵过程对CFTP-x的形貌、理化性质和蒸发性能的影响。通过在多种水介质中的蒸发实验评估了CFTP-x的柔韧性和稳定性。通过对照实验和Comsol多物理场模拟，阐明了CFTP-x的孔结构与界面蒸发过程中热管理、水传输和蒸汽产生之间的结构-性能关系。最后，构建了一个平方米级自然太阳能驱动的SIE系统，以评估其实际应用潜力。这种低成本、环境友好的生物质衍生碳泡沫具有简便调节的内部结构，满足高性能和规模化生产SIE的要求。章节片段CFTP-x的制备将0、0.1、0.3、0.5、0.7、0.9 g干酵母加入到55 mL、35 °C的去离子水中并持续搅拌。完全溶解后，将其倒入100 g面粉中混合10分钟，使其成为光滑的前驱体。将前驱体密封并在35 °C下发酵1小时，产生的二氧化碳气体用于形成微孔结构。将面团在170 °C的烘箱中加热50分钟以固定形状。然后，将面包放入烘箱中在80 °C下干燥2小时。最后，表征与依赖化学添加剂或高能耗结构工程策略（如增材制造、冰/盐模板和发泡）的传统方法不同，本文开发的蒸发器结构是通过一种受发酵过程启发的简便气体辅助穿孔策略实现的[19]，[20]，[21]。孔形成的演化过程如图1A所示。通过简单调节酵母用量，发酵诱导气体的程度结论总之，通过简便的发酵-碳化策略，使用相对简单且潜在低成本的原材料，成功制备了用于太阳能驱动界面蒸发的CFTP-x一体化蒸发器。得益于优化的分级多孔结构，CFTP-3在1个太阳辐照（1 kW m?2）下、3.5 wt% NaCl溶液中实现了1.56 kg m?2 h?1的优异蒸发速率和94.1%的蒸发效率，这源于协同调节CRediT作者贡献声明吴玉良：方法学、调查、数据管理、软件、写作——初稿、可视化。吴兆基：调查、数据管理、软件。李自亮：调查、数据管理。姚晶晶：数据管理、软件。莫福年：验证、写作——审阅与编辑、资金获取。李超林：方法学、监督、形式分析、项目管理。王会辉：概念化、验证、监督、项目管理、资金获取、写作利益冲突声明作者声明，他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系，可能影响本文报告的工作。致谢本工作得到了国家自然科学基金（22309036）、广东省基础与应用基础研究基金（2025A1515010998）、深圳市重大科技项目（KJZD20230923114118034）、深圳市自然科学基金（稳定支持计划项目GXWD20231129152058003）和深圳市科技计划（JCYJ20250604145025032）的资助。吴玉良|吴兆基|李自亮|姚晶晶|莫福年|李超林|王会辉