受莲花启发的具备润湿性异质性与相变协同的三维生物质蒸发器，用于连续水电联产

《Journal of Energy Chemistry》：Lotus-inspired 3D biomass evaporator featuring wettability heterogeneity and phase-change synergy for continuous water-electricity cogeneration

　　摘要太阳能驱动界面蒸发器的持续运行受限于太阳辐照的间歇性以及热管理不足。尽管相变材料（PCM）能够储存潜热以实现全天产汽，但其实际应用因液体泄漏和放热不均而受到阻碍。受莲花启发——莲花花瓣表面具有疏水性，同时花托（ receptacle ）呈亲水性，从而实现快速定向输水——我们设计了一种双功能蒸发器，将润湿性对比与形状稳定的相变材料封装异构集成。该蒸发器由疏水相变"花瓣"（C/SA/T-Cu/SiO?/C22）构成，可长期稳定自浮并持续释放潜热；还包含一层双组分圆柱气凝胶"莲蓬"，其外层为超亲水层（C/SA/T-Cu/SLS/PEG），内层为超疏水层（C/SA/SiO?/VTMS）。该结构协同配合供水与热量定位，且COMSOL模拟证实，"花瓣"与"莲蓬"之间的温度梯度可引导热流向蒸发界面流动。在1个太阳辐照强度（1-sun）下，系统蒸发速率为5.23 kg m?2 h?1，能量效率高达98.43%。此外，蒸发过程中建立的离子浓度梯度同时产生约304.83 mV的峰值电压。该仿生设计克服了传统单一用途蒸发器的功能局限，为高效淡水制备与低品位能源收集同时实现提供了途径。引言海水淡化日益被视为应对全球淡水资源短缺的可行方案，近年来受到广泛关注[1]–[4]。传统海水淡化技术，如反渗透[5]和多效闪蒸蒸馏[6]，虽缓解了部分地区的缺水问题，但仍受制于高能耗、设备复杂及成本高昂[7]。因此，开发高效、低能耗且经济可行的淡化技术已成为关键研究重点[8], [9]。尽管三维结构蒸发器（3D SEs）通过改善光吸收、输水和热量禁锢提升了蒸发性能[10]–[12]，但多数系统仍依赖单一的光热转换机制。这一局限阻碍了全天持续蒸发，也限制了伴随能量的高效利用，从而限制了整体适用性[13]–[17]。相变材料（PCM）在克服太阳能供给间歇性、实现全天持续稳定的产汽方面展现出巨大潜力，其具有高储能密度且相变过程中能维持近乎等温的条件[18]–[22]。例如，Li等[23]设计了一种分级结构的三维太阳能蒸发器，配有可捕获并增强太阳光吸收的3D打印支撑，以及经亲水-疏水改性的织物，能充分吸收光能用于发电和水的蒸发。在自然阳光下，该器件最大输出电压为3.51 V，蒸发速率为4.0 kg m?2 h?1。由于引入了相变材料，该三维蒸发器相比不含PCM的对照系统，电容充电时间缩短57.9%，淡水产出量提高29.9%。然而，传统PCM在固-液相变过程中通常会出现液体泄漏和宏观结构坍塌，严重损害其循环稳定性和实际应用可靠性[24]。此外，放热往往集中于气-液界面附近的局部区域，对蒸发器侧壁和周围水体提供的热贡献有限，导致热分布不均，进而限制了整体蒸发效率的进一步提升[25]。近年来，仿生学概念为设计多功能材料和构建集成系统提供了新思路[26], [27]。通过模拟自然结构和功能，可以开发出集结构稳定性、定向传热与多功能于一体的新型PCM基复合材料，从而为高效太阳能驱动蒸发系统的设计开辟新途径[28], [29]。莲植物正是这一原理的典范：其花瓣表面通过微纳结构与低表面能蜡质涂层实现超疏水性[30]，而中央花托则通过分级孔隙实现快速定向输水[31]。这种疏水保护与亲水导水在单一生物系统中的协同共存，为构建具有集成热管理的稳定高效蒸发系统提供了宝贵的结构灵感。针对上述挑战，我们通过亲疏水异构集成与相变材料复合，设计了一种具有长期稳定自浮性、连续潜热释放以及离子梯度发电能力的双功能相变蒸发器（SE）。该蒸发器由三部分组成：外层为疏水C/SA/T-Cu/SiO?/C22"花瓣"，赋予SE在水面上稳定自浮与自回正的能力；中间层为双组分圆柱气凝胶"莲蓬"，结合超亲水外层（C/SA/T-Cu/SLS/PEG）和超疏水内层（C/SA/SiO?/VTMS），通过亲疏水异构结构协同调控输水和热量定位。在1个太阳辐照强度（1-sun）下，SE的蒸发速率为5.23 kg m?2 h?1，能量效率为98.43%。COMSOL建模证实，"花瓣"与"莲蓬"之间形成的温差推动热量定向向蒸发界面传递，从而提升能量利用效率。此外，蒸发过程中建立并维持的离子浓度梯度同时产生约304.83 mV的峰值电压。这一集成设计利用潜热缓冲实现连续淡水生产与低品位能源收集，突破了仅聚焦于产水的传统蒸发系统单一功能范式，为可持续水-能联产提供了技术路径。章节摘要SE的结构设计图1(a)展示了受莲花启发的亲疏水异构相变SE。其整体架构模仿莲花的形态与功能，由三个集成部分组成。外层"花瓣"由C/SA/T-Cu/SiO?/C22复合相变气凝胶构成。由于疏水的正二十二烷（C22）组分，该气凝胶的最大水接触角达到133.2°（±0.3°），表观密度低至0.358 g cm?3，从而实现稳定且……结论本工作开发了一种受莲花启发的双功能相变棉纤维基SE，将亲疏水异构结构与PCM集成，通过潜热储存与释放改善运行连续性，有效弥合太阳辐照的间歇性，从而实现电力与淡水的高效联产。该SE表现出稳定的自浮、潜热释放以及离子梯度发电特性。其外层疏水"花瓣"……CRediT作者贡献声明Xinyi Chen（陈新怡）：撰写——初稿，正式分析，数据整理，构思。Sijie Zhuang（庄思洁）：数据整理。Lei Dai（戴雷）：撰写——审阅与编辑，正式分析。Chen Zhang（张晨）：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，数据整理，构思。Zhu Long（龙竹）：撰写——审阅与编辑，经费获取，构思。利益冲突声明作者声明，不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。致谢本工作得到了山东省科学院、齐鲁工业大学基于生物材料绿色制浆国家重点实验室基金（KF201905）的支持。作者简介陈新怡（Xinyi Chen）目前是江南大学纺织科学与工程学院博士研究生。她的研究方向聚焦于海水淡化技术以及功能催化材料在环境治理中的应用，重点开发高效可持续的界面蒸发系统及污染物降解策略。作者：Xinyi Chen｜Sijie Zhuang｜Lei Dai｜Chen Zhang｜Zhu Long