《Desalination》：Fabrication of CB@PDMS evaporator via replica molding with picosecond laser-processed Al template for seawater desalination and thermoelectric power generation
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Dongkai Chu|Xinxin Lv|Jianqing Li|Haiyuan Zhang|Mengyuan Li|Peng Yao|Zhiliang Tang|Xuemeng Wang|Wei Chen|Lei Kou•通过使用皮秒激光处理的铝模板，采用复制成型技术制备出了
Dongkai Chu|Xinxin Lv|Jianqing Li|Haiyuan Zhang|Mengyuan Li|Peng Yao|Zhiliang Tang|Xuemeng Wang|Wei Chen|Lei Kou
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通过使用皮秒激光处理的铝模板，采用复制成型技术制备出了CB@PDMS复合型太阳能界面蒸发器（LT-CB@PDMS）。
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LT-CB@PDMS界面蒸发器可用于海水淡化及热电发电。
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该界面蒸发器的光吸收率超过95%，光热转换效率约为85%。
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在1千瓦·米负二次方太阳辐射强度下，其蒸发速率可达2.5千克·米负二次方·小时负一次方，并且在80小时的循环中使用中仍保持稳定。
引言
全球淡水资源的匮乏已成为制约人类社会可持续发展的重大问题。地球上可直接利用的淡水仅占总水资源的不到1%[1]、[2]。传统的海水淡化技术主要依赖化石燃料，存在能耗高、碳排放量大等缺陷，难以满足可持续发展需求[3]、[4]。在此背景下，作为清洁可再生能源的太阳能为解决传统技术带来的污染和能源消耗问题提供了有效方案[5]、[6]。太阳能驱动的界面蒸发技术近年来成为海水淡化研究的新领域，该技术利用气液界面的光热材料将太阳能转化为热量，从而加速界面处的水分蒸发[7]、[8]、[9]、[10]。
目前常用的光热材料包括无机金属基材料[11]、[12]、[13]、金属有机框架材料[14]、[15]、[16]、聚合物材料[17]、[18]、[19]、[20]以及碳基材料[21]、[22]。聚合物材料本身的热导率较低（0.03–0.3瓦特·米负一次方·开尔文负一次方），这有助于抑制界面光热系统中的横向和向下热传导，从而使光热能量集中在气液界面，提升界面水分蒸发效率[23]、[24]。然而，像PDMS这样的聚合物由于具有高透明度和较差的光吸收能力，难以用于高效界面蒸发应用。
为了实现高效的太阳能捕获与转化，研究人员通常会优化材料的形态结构，并通过制造工艺调整表面性质，以提高光吸收能力，进而提升蒸发效率。激光加工技术作为一种非接触式的精确制造方法，凭借其极短的脉冲时长和极高的峰值功率，被广泛用于制备功能性表面，为界面蒸发器的加工提供了新的可能[25]、[26]、[27]、[28]。例如，Wang等人[29]利用皮秒激光在PDMS表面制备了网格状微结构，研究了PDMS的疏水性、表面微结构与激光加工参数之间的关系。Ko等人[30]则构建了一种由激光诱导碳化层、纤维素气凝胶和PDMS涂层组成的多层微纳结构太阳能蒸发器，其蒸发速率为1.68千克·米负二次方·小时负一次方。Liu等人[31]通过激光加工制备出具有Janus结构的木质素水凝胶蒸发器，其分层结构有助于实现疏水盐分的去除和亲水水的传输，蒸发速率可达2.33千克·米负二次方·小时负一次方。传统的经激光处理的聚合物蒸发器主要是依靠原位激光碳化形成表面光热碳层，但存在层间粘附不稳定和结构耐久性差等问题。此外，目前大多数报道的碳掺杂界面蒸发器都是基于亲水性聚合物（如水凝胶）开发的。因此，如何通过碳材料改性及激光微结构设计，在保持PDMS基质低热导率特性的同时提升其光吸收能力，仍是需要解决的关键问题。
在本研究中，我们首先利用皮秒激光加工技术制备出了高长径比的铝模板，随后通过复制成型技术制备出了经过CB改性的PDMS界面蒸发器，并将其应用于海水淡化及热电发电领域。研究探讨了CB颗粒大小和含量对材料性能的影响，同时分析了该界面蒸发器的表面结构、光学吸收特性、光热转换效率以及润湿性。此外，还系统研究了光照强度、溶液盐度及水质对蒸发速率及热电输出性能的影响。这项研究为高性能界面蒸发器的材料设计与制造提供了理论指导与实践参考。
章节要点
材料与试剂
商业铝板购自德利五金有限公司。PDMS预聚物（DC-184 A）和固化剂（DC-184B）来自道康宁公司。CB由瑞江金属材料有限公司提供。氯化钠从国药化学试剂有限公司获取。甲烯蓝、罗丹明B和甲基橙的固体粉末均来自中国天津的智源化学试剂有限公司。
结果与讨论
图1a展示了界面蒸发器在太阳能蒸汽生成和电力生产中的作用示意图。在光照作用下，LT-CB@PDMS会吸收太阳能并将其转化为热量，从而在界面处实现局部加热，促使水分快速蒸发，进而实现海水淡化。同时，热侧（蒸发器）与冷侧（冷凝器）之间的温度差可通过热电发电机转换为电能。
结论
总之，本研究通过结合CB改性技术与皮秒激光处理的铝模板复制成型技术，成功制备出了用于海水淡化及热电发电的LT-CB@PDMS复合界面蒸发器。该材料在宽光谱范围内的光吸收率超过95%。在1千瓦·米负二次方光照强度下，LT-CB@PDMS蒸发器的蒸发速率可达2.48千克·米负二次方·小时负一次方，输出功率密度则为45.32毫瓦特·米负二次方。
作者贡献说明
Dongkai Chu：论文撰写与编辑、验证、监督、正式分析、资源协调、项目管理、概念构思。Xinxin Lv：初稿撰写、方法设计、数据整理。Jianqing Li：数据整理。Haiyuan Zhang：数据整理、论文撰写与编辑。Mengyuan Li：论文撰写与编辑。Zhiliang Tang：论文撰写与编辑。Xuemeng Wang：数据整理。Wei Chen：论文撰写与编辑。Lei Kou：论文撰写与编辑。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢中国国家自然科学基金（编号：52505499）以及中国国家重点研发计划（编号：2024YFB4608903）的资助。
