《Environmental Research》：Recent advances in fiber-based materials for solar-driven interfacial evaporation: A comprehensive review
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摘要
太阳能驱动界面蒸发（SDIE）为传统海水淡化提供了一种高效且可持续的替代方案。纤维材料因其高比表面积、固有的毛细通道和孔隙率而成为SDIE的有前途的平台，但目前尚缺乏对纤维类型、结构设计和性能基准的系统比较。在本综述中，基于纤维的SDIE材料被分为合成纤维（包括聚
摘要
太阳能驱动界面蒸发（SDIE）为传统海水淡化提供了一种高效且可持续的替代方案。纤维材料因其高比表面积、固有的毛细通道和孔隙率而成为SDIE的有前途的平台，但目前尚缺乏对纤维类型、结构设计和性能基准的系统比较。在本综述中，基于纤维的SDIE材料被分为合成纤维（包括聚合物、碳、玻璃、金属和陶瓷纤维）和天然纤维（来源于植物、动物、藻类和矿物）。每一类纤维都从材料特性、结构设计和光热性能方面进行了综述。最后，对天然纤维和合成纤维进行了比较分析，重点关注水蒸发速率、蒸发效率和结构差异（2D或3D）。此外，许多纤维材料都嵌入了光热材料，如MXene、MoS2、聚吡咯、碳纳米管和rGO，以增强太阳能吸收和光热转换。在1个太阳照射下，报告的蒸发速率通常在1.4至4.4 kg·m-2·h-1之间。在户外条件下，一种太阳能蒸汽蒸发器已实现了27.8 kg·m-2·day-1的水产量。此外，许多研究报告的水蒸发效率超过90%，一些在利用周围环境作为能源时超过了100%。最后，基于纤维的蒸发器的研究过程概述为未来发展提供了有价值的见解，基于这些发现和分析。
引言
水资源短缺是一个重大挑战，随着需求增长，影响着数十亿人[1]。尽管地球表面71%被水覆盖，但其中97%的水是海洋中的咸水，因此不适合人类直接饮用、农业灌溉或工业使用[2]。2020年，估计有超过20亿人缺乏安全饮用水服务[3]。解决水危机需要可持续、可扩展且有效的海水净化工艺，以确保全球范围内获得清洁水[4]。为此，海水淡化已成为一种合适的解决方案，特别是在沿海和干旱地区，这些地区存在微咸地下水[5]。然而，传统的反渗透（RO）和多级闪蒸蒸馏（MSF）等技术是高能耗的，导致高电力需求和显著的温室气体（GHG）排放[6]。
因此，太阳能驱动的海水淡化作为一种生态友好的淡水生产替代方案受到了关注[7]。特别是，太阳能驱动界面蒸发（SDIE）已成为一种有前途的技术[8]。在太阳能驱动水蒸发系统的背景下，图1展示了不同的太阳能吸收器方法。图1(a)展示了底部加热，加热在底部进行。然而，主要的热损失包括主体水加热、液体中的传导、对流、辐射和热耗散。图1(b)展示了解体水中分散的光热材料，称为体积加热。图1(c)展示了界面加热，太阳能吸收器位于气-水界面，将太阳能集中在表面以最大限度地减少热损失。图1(d)展示了3D蒸发器，利用来自环境的额外热量。与主体水分离的光热材料提高了整体蒸发效率[9]。
当SDIE与热电发电机（TEG）结合时，提供了同时生产和水能的机会[10]。将SDIE的应用扩展到废水处理[11]、石油泄漏修复[12]、选择性矿物提取[13]和混合能源水系统[14]，可以显著增强其发展和影响。SDIE中研究了多种材料，包括碳[15]、金属[16]、半导体[17]、废弃塑料[18]和生物质基材料[19]。
通过使用光热材料，太阳能被转化为热能，从而实现高效的蒸汽产生[8]。将热量集中在蒸发器表面增强了水的蒸发并减少了热损失到环境，使其比其他方法如太阳能蒸馏更有效地工作[20]。水的蒸发效率主要取决于材料选择和架构设计[21]。其中，基于纤维的材料因其固有的灵活性、高比表面积、孔隙率和可扩展性而受到关注[22]。基于纤维的蒸发器（FBEs）包括棉花[23]、大麻[24]、木棉[25]、茶渣[26]和椰纤维[27]，这些可以进行碳化或改性以增强太阳能吸收、促进水传输并提供良好的热绝缘。FBEs因其性能、经济可行性和环境可持续性而受到广泛关注[28]、[29]、[30]。因此，与传统平台相比，天然纤维和合成纤维提供互连的多孔网络、水的传输能力和机械灵活性，这些都有助于整体蒸发器性能。此外，天然纤维丰富、可生物降解且经济有效，使其成为可持续大规模水净化的理想选择[31]。此外，纤维材料提供了一种通用的框架来满足这些要求，使其成为合适的光热材料。
先前的综述集中在纤维素基蒸发器[32]、[33]、木质蒸发器[34]、棉布基蒸发器[35]和凝胶基蒸发器[36]上。因此，先前的综述集中在特定的纤维类别上，所以包括天然纤维和合成纤维的FBEs的全面综述仍然有限。本研究综述了用于SDIE的FBEs，重点关注材料分类和蒸发性能，并比较了不同纤维类型的吸收器性能。
本研究概述了纤维，阐明了FBEs对SDIE的好处，将纤维分为合成纤维或天然纤维，按类型比较FBE性能，并提供改进SDIE性能的指导。本文分为四个主要部分（图2）：第2节提供纤维背景，第3节讨论合成纤维，第4节考察天然纤维，第5节提出太阳能强度和盐度如何影响吸收器性能的对比分析。
章节摘要
纤维在SDIE中的背景
纤维通常是细长的、线状的细结构，具有固有的互连孔网络和大的比表面积，这促进了快速的质量和热量传递以及毛细液体传输[37]。纤维是一种形态或结构类型的材料，可以由聚合物、陶瓷或金属组成[38]。纤维分为合成纤维或天然纤维，如图3所示。合成纤维包括聚合物、碳、玻璃、金属和陶瓷基纤维。天然纤维包括……
合成纤维
合成纤维是一类多样化、可调的材料，由于其可重复的结构和相容性，被广泛用于SDIE。合成纤维可分为聚合物、碳、玻璃、金属和陶瓷纤维。以下各小节回顾每一类，强调它们在SDIE系统中的作用和性能。表1展示了合成纤维在SDIE中的比较。
天然纤维
天然纤维是丰富、可再生和可持续的材料，每种品种都源于不同的来源[83]。这些纤维主要按生物学或地质学来源分类，如植物、动物、藻类和矿物纤维[84]。表2展示了天然纤维在SDIE领域的比较。
天然纤维和合成纤维的比较
基于纤维的SDIE系统的性能通常通过水蒸发速率（kg?m-2?h-1）、太阳能蒸发效率（η）和盐拒绝率等指标来评估。最先进的基于纤维的蒸发器在1个太阳照射下显示超过4 kg?m-2?h-1的值。图17展示了用于SDIE的合成纤维和天然纤维的层级结构比较。图17(a)的SEM图像显示了来自PPS-碳纤维（PCF）泡沫的合成纤维（100 μm）[52]。图17(b)显示了……
结论
在本综述中，对光热性能、结构设计、加工方法和纤维类型进行了彻底的深入分析。我们发现基于纤维的蒸发器在水资源匮乏的环境中有巨大的发展潜力，特别是基于天然纤维的，因为易于制造。合成纤维基蒸发器具有灵活性并表现出良好的机械性能，2D和3D结构设计可以定制用作蒸发装置。然而……
CRediT作者贡献声明
Maryam Nooman AlMallahi：写作——审阅与编辑，写作——初稿，可视化，调查研究，构思。Shahd Sefelnasr：写作——初稿，可视化，调查研究，构思。Abdelrahman Gasmelseed：写作——审阅与编辑，可视化，构思。Mohamed Y.E Selim：写作——审阅与编辑，监督，构思。Mahmoud Elgendi：写作——审阅与编辑，监督，构思。
生成式AI和AI辅助技术在写作过程中的声明
在准备本工作期间，作者使用大语言模型（LLMs）和Grammarly来改写句子和增强语言。在使用这些工具/服务后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对所发表文章的内容承担全部责任。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能影响本文报道的工作。
致谢
作者感谢阿拉伯联合酋长国大学、研究办公室和国家水能中心的支持，基金编号为12R303和12R296。
Maryam Nooman AlMallahi | Shahd Sefelnasr | Abdelrahman Gasmelseed | Mohamed Y.E. Selim | Mahmoud Elgendi
阿拉伯联合酋长国大学工学院航空航天机械工程系，阿拉伯联合酋长国，阿尔艾因
