《Journal of Colloid and Interface Science》：A spiral aerogel-fabric composite evaporator for all-weather freshwater generation via solar tracking and synergistic hydrothermal management
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螺旋式太阳能蒸发器通过三维编织疏水间隔织物与亲水气凝胶复合结构，结合相变微胶囊动态储热技术，实现了日变化与太阳入射角变化的适应性蒸发效率提升。该设计在单太阳条件下达到2.16 kg·m?2·h?1蒸发率（97.62%效率），黑暗中仍维持0.45 kg·m?2·h?1蒸发能力，10小时连续跟踪产水量较静态系统提高21%。
陈凯莉|于凌杰|孟家光|范伟|牛宁|何婉婉|王永振|刘亚明|程彦婷|李颖|孙照玲|赵志
西安理工大学纺织科学与工程学院，中国陕西省西安市710048
摘要
太阳能驱动的界面蒸发为全球淡水短缺问题提供了一种可行的可持续解决方案。然而，其实际应用受到昼夜循环和太阳入射角度变化的限制。为了克服这些限制，我们开发了一种创新的螺旋形太阳能蒸发器，该蒸发器通过三维编织技术制成。这种设计利用了间隔织物的自支撑特性，构建了一个可调节高度的结构，能够实现主动跟踪太阳的位置。同时，将疏水性间隔纱线涂覆亲水性气凝胶，在织物基质中形成了高效的方向性水通道。这种界面工程策略优化了水供应和热量分布的空间一致性，为高性能蒸发奠定了基础。此外，嵌入织物中间层的相变微胶囊通过动态储存和释放热能来补偿光照强度的波动，从而稳定了蒸发过程。螺旋结构本身增强了横向光吸收，并建立了层间温度梯度，从而提高了光捕获效率并促进了废热回收，同时最小化了热损失。由于这种协同设计，该蒸发器在阳光条件下实现了2.16 kg·m?2·h?1的蒸发速率（效率为97.62%），在黑暗条件下仍能保持0.45 kg·m?2·h?1的蒸发速率。在10小时的太阳跟踪测试中，总产水量达到了11.31 kg·m?2，比静态系统高出21%。这项工作为开发高性能、全天候运行的太阳能蒸发器提供了宝贵的设计策略，以实现高效的淡水生产。
引言
全球经济的扩张和人口的增长加剧了淡水资源的短缺，对人类健康、工业生产和生态系统稳定性产生了重大影响[1]、[2]。地球上的海洋含有13.5亿立方公里的水，占全球水资源的97%。因此，海水淡化是解决水资源短缺问题的主要方法[3]、[4]。诸如膜蒸馏、反渗透、电渗析和热蒸馏等多种淡化技术被广泛认为是有效的方法。然而，这些方法通常面临高能耗以及高昂的维护和运营成本等障碍[5]、[6]。因此，需要更加经济和环境可持续的解决方案来缓解淡水短缺问题[7]、[8]。太阳能作为一种丰富、成本低廉且环保的能源，已成为海水淡化过程中的重要研究方向[9]、[10]。
历史上，研究主要集中在制造具有优异光捕获性能的光热材料上，包括碳基材料[11]、[12]、金属纳米颗粒[13]、[14]和半导体[15]，以最大化太阳能蒸发器的光捕获效率。然而，这些高性能材料的合成往往成本高昂，且复杂的制造过程限制了大规模生产，阻碍了实际应用。近年来，低成本的光热材料（如木质素[16]、[17]、咖啡渣[18]和废弃碳纤维[19]）受到了越来越多的关注。然而，传统光热材料往往受到其固有光学特性的限制，特别是对太阳光谱的宽带吸收能力不足，这给提高光热转换效率带来了挑战。在这种情况下，结构设计成为增强光捕获能力的另一种策略，例如全纤维多孔圆柱形泡沫蒸发器[20]、碳/聚合物复合金字塔[21]、3D编织阵列[22]、[23]以及具有粗糙光热涂层的纤维素纸基蒸发器[24]。这些研究表明，工程化的表面粗糙度和宏观结构可以显著提高光吸收和光热转换效率。然而，一个关键的限制仍然存在：这些蒸发器仍然严重依赖直射阳光，在多云或夜间条件下蒸发速率会大幅下降[25]、[26]。此外，它们的固定形态无法适应太阳入射角度的昼夜变化，这限制了高效和连续运行[27]、[28]。因此，在低光照条件下提高蒸发性能并提高对动态太阳辐射的适应性是实现实用、全天候太阳能驱动水生产的紧迫研究重点。
通过结构优化提高光捕获效率是一个关键策略，但这在水分和热管理方面带来了重大挑战。例如，增加蒸发器的高度会显著提高水的传输阻力。如果水的可用性不足以满足蒸发需求，就会破坏水-热平衡，从而降低性能。多孔材料（如水凝胶[29]、[30]和气凝胶[31]、[32]）因其丰富的微通道而常被用作水传输层，这些微通道有助于快速水流动。然而，微观孔隙的典型无序排列迫使水通过曲折的路径流动，这不仅增加了传输阻力，更重要的是，阻碍了与蒸发界面的有效热能协调，导致热能利用效率低下。因此，开发能够在保持最佳水-热平衡的同时实现快速水传输的太阳能蒸发器至关重要。
本研究介绍了一种创新的、可变形的螺旋形太阳能蒸发器（SPM-Spiral），旨在实现高效的全天候运行。该蒸发器通过整合自支撑、可扩展的三维间隔织物（SF）、海藻酸钠（SA）、相变微胶囊（PCMs）和多壁碳纳米管（MWCNTs）制成，通过可调节的几何形状、高效的水传输和最小的热损失来应对太阳角度变化和间歇性阳光的问题。制备方法如图1所示。SF采用特殊的3D编织技术制成，上层具有大孔隙以增强光捕获效果，下层具有小孔隙以改善毛细作用，中间层为疏水性间隔纱线。这种结构被塑造成螺旋形，以创建层间温度梯度，实现废热回收。间隔纱层浸渍了含有PCM的气凝胶，提供动态热存储和多方向水通道。疏水性MWCNTs通过静电植绒技术沉积在表面，形成光热层，确保高光吸收、盐分排斥和抗污染性能。SPM-Spiral在1 kW·m?2的照明条件下实现了2.16 kg·m?2·h?1的蒸发速率，效率为97.62%，在低光照条件下仍能保持0.45 kg·m?2·h?1的蒸发速率。在10小时的太阳跟踪测试中，总产水量达到了11.31 L·m?2，比静态系统高出21%；在15 wt%的盐水中运行8小时后，仍表现出抗盐结晶的能力。这项工作通过同时解决热能局部化、间歇性辐射和水-热平衡问题，提供了一种高效的全天候太阳能蒸发方法。
材料
海藻酸钠（SA）由Aladdin Reagent Co., Ltd.（上海）提供。琼脂（AG）、CaCl2和MWCNTs由西安瑞利杰实验仪器有限公司提供。聚二甲基硅氧烷（PDMS）由西安Laka实验仪器有限公司提供。相变微胶囊购自河北瑞森科技有限公司。水性聚氨酯静电植绒胶由Tan Shen Xing生物技术有限公司提供。所有化学品均为分析级，可直接使用。
SPM-Spiral的结构和元素组成
疏水性多壁碳纳米管光热层是通过静电植绒技术制备的。其SEM图像（图2a）显示了粗糙多孔的微观结构，增强了光折射和反射效果，为后续的光热转换提供了最佳表面性能。亲水性气凝胶应用于疏水性间隔纱线上，形成了SPM-Spiral蒸发器中的流体传输组件。间隔纱线呈现出均匀的柱状结构（
结论
本研究通过整合定制的三维间隔织物基底、海藻酸钠（SA）、相变微胶囊（PCMs）和多壁碳纳米管（MWCNTs），成功制备了一种可变形的三维螺旋形太阳能蒸发器（SPM-Spiral）。这种配置实现了对太阳角度的适应性跟踪、较大的蒸发面积、最小的热损失、快速的水传输和全天候蒸发。与传统的二维设计不同，3D螺旋结构
作者贡献声明
陈凯莉：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，研究调查，数据整理。于凌杰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学研究，形式分析。孟家光：指导，项目管理，方法学研究。范伟：可视化处理，验证，资源协调。牛宁：方法学研究，调查。何婉婉：方法学研究，调查。王永振：软件开发，项目管理。刘亚明：指导，软件应用。程彦婷：软件应用，
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本项工作得到了国家自然科学基金（编号52473079、62201441）、陕西省重点研发计划（编号2025CY-YBXM-045、2023-YBGY-490）、纺织视觉基础研究计划（编号J202405）、陕西省教育厅资助的科学研究计划（编号23JP054）、陕西省创新能力支持计划（编号2022KJXX-40）、陕西省科学技术协会青年人才基金（编号20230139）等项目的支持。
