太阳能驱动的界面蒸发（ISSG）具有节能、环保、高效等特性，可被用于海水和废水的清洁水提取。在设计高性能太阳能蒸发器时，表面光热材料和底部低导热材料的选择至关重要。长时间的界面蒸发，蒸发器表面会出现盐晶体积累，造成热辐射损失并阻碍水分传输路径，现有耐盐策略主要是通过提高表面亲水性和增强流体对流。然而，过度的亲水性会造成表面被水覆盖，导致热损失加大，降低蒸发速率。因此，如何平衡ISSG高耐盐性与高蒸发速率的矛盾是关键。此外，许多随机交联的蒸发器具有扭曲的通道和不均匀的孔径分布，这会严重阻碍水分扩散，限制水蒸发。
为此，本团队受植物蒸腾作用启发，将亲水性的沸石咪唑酯框架-67（ZIF-67）原位生长在木质气凝胶上，并在其表面涂覆聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）改性的多壁碳纳米管作为光热层，制备了一种表面结构可调的岛型结构木质气凝胶太阳能蒸发器（WAISE）。与致密表面结构蒸发器相比，WAISE的蒸发率提高了87.64%，且界面水分传输、热定位和表面水蒸气扩散能力都有显著改善，实现了长时间持续蒸发。基于WAISE强大的蒸发能力和光热特性还开发了具有连续海水淡化、发电和灌溉功能的一体化系统。
首先对巴沙木进行脱木素和冷冻干燥处理制备了木质气凝胶（WA），然后通过原位生长法将ZIF-67引入到气凝胶内外表面，并在其表面涂覆聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）改性的多壁碳纳米管（MWCNT- g-PNIPAM）作为光热材料，最后在其表面开槽制备了岛状结构的木质气凝胶太阳能蒸发器。MWCNT- g-PNIPAM在加热和冷却过程中可以实现不同的结构变化。此外，所制备的岛形太阳能蒸发器可以实现表面微结构调节和盐梯度重排。
WAISE光热转换性能测试
通过分子动力学模拟 (MDS) 研究了ZIF-67和MWCNT- g-PNIPAM对蒸发焓的降低机理。量化了蒸发过程中逸出的水分子数和材料中水分子间氢键数。首先模拟了WA/水和WA / ZIF-67/水单元在500 ps内的蒸发。在0 ps时，500个水分子在WA和WA / ZIF-67表面静止。在200 ps内，从WA/ZIF-67表面损失的水分子数为36个略多于WA的31个。在450 ps内，WA/ZIF-67表面水分子有65个分子逃逸到气相中，明显高于WA的31个。在500 ps内添加ZIF-67的系统中水分子的损失大于单独使用WA的系统。水分子逐渐缠绕在ZIF-67表面，在蒸发过程中进入孔隙通道证实了亲水性ZIF-67与水之间存在极强的相互作用。ZIF-67与水分子之间的强相互作用极大地干扰了水分子之间的氢键，导致水-水氢键密度降低。因此，WA/ZIF-67可以在相同的能量输入下提供更高的蒸发速率。
WAISE内各种水分状态表征
同样，通过MDS分析了MWCNT-g-PNIPAM涂层对水蒸发过程的影响。为了排除WA和ZIF-67的干扰，对单独的水和MWCNT-g-PNIPAM/水单元进行模拟分析。在200 ps内MWCNT-g-PNIPAM/水单元中水分子的蒸发量为26大于单独水单元的蒸发量的21。在480 ps内，有72个水分子从MWCNT-g-PNIPAM/水单元表面逸出到气相中，是单独水单元逸出量32个的两倍多。在500 ps内从MWCNT-g-PNIPAM/水单元逸出的水分子数量高于水单元。表明MWCNT-g-PNIPAM的引入提高了蒸发速率。PNIPAM与水分子具有良好的结合能力，削弱了水分子之间的氢键作用力，从而减小了水蒸发焓。总的来说，ZIF-67和MWCNT-g-PNIPAM协同提高了WAISE的蒸发速率。
普通蒸发器的表面在24小时内几乎被盐晶体覆盖（20 wt% NaCl水溶液）。WAISE在不同浓度的盐水中没有盐积累，蒸发速率也没有显著降低，连续运行200小时也未出现盐积累。WAISE还具有良好的循环稳定性，蒸发性能在15次循环内没有明显下降。通过模拟盐离子在普通蒸发器和WAISE中的扩散过程，并进一步分析了WAISE的抗盐机理。蒸发器界面处的蒸发导致表面离子浓度和密度升高，从而在蒸发器上部和下部之间形成离子浓度梯度和密度梯度。由于上述梯度的形成，盐分得以向下扩散和平流。温度升高会导致蒸发表面的PNIPAM链收缩，产生多孔结构。同时，岛状结构凹槽被大量海水填充，导致盐浓度梯度重新排列。岛状结构内部的高盐浓度分布区向周围凹槽的低盐浓度区域扩散，大大缩短了盐离子向水体扩散的距离。
WAISE的蒸发性能测试及耐盐机制分析
WAISE良好的耐盐性与马兰戈尼效应的产生有关。溶质马兰戈尼效应是由于表面张力梯度的产生引起的。岛型的上表面的溶质（盐）浓度高于岛型凹槽内部，这导致在凹槽中产生表面张力梯度。因此，溶质马兰戈尼效应在凹槽中发生，加速了水对流。温度马兰戈尼效应是由温差引起的。光辐射导致材料上部表面温度升高，热能向下传递。然而，由于WA的低导热性，其表面和内部的温差很大。较大的温差导致温度马兰戈尼效应的产生，加速了凹槽内水对流，提高了表面盐回流的速率。
WAISE室外海水淡化、污水净化效果测试
使用自制蒸发装置通过户外实验评估了WAISE在自然条件下的海水淡化和水净化能力。从9:40至16:40，WAISE最大蒸发速率达到3.14 kg·m-2·h-1。净化水的电阻显著增加，证明它们的离子浓度较低，比盐水、海水和自来水更纯净。净化前后东海海水中K+、Ca2+、Na+和Mg2+离子的浓度显著降低，达到世界卫生组织（WHO）的饮用水标准。同时，蒸发器对亚甲蓝染料和乳液废水的去除效率均超过99.9%，表明蒸发器能够有效去除水中的染料和有机物。
WAISE海水淡化、发电和灌溉功能的一体化系统
受塞贝克效应启发结合热电装置（TED）设计了PTM-TED温差发电装置。开路电压和短路电流测试结果表明，在相同光强下，PTM-TED的电流和电压值明显高于TED。基于WAISE的水净化能力和PTM-TED的发电能力，设计了光驱动的自动蒸发-发电-灌溉系统（EGIS）。当海水倒入蓄水池，随着水位的上升水自动流入工作水池，使PTM-TED漂浮到水面上。系统在光驱动下开始工作，万能表显示输出电压值在短时间内迅速上升。随着时间的推移，装置顶部和侧壁的蒸汽凝结成干净的水，通过输水管道对植物进行灌溉。EGIS通过长达3天的持续输出电压和连续灌溉显示出巨大的实际应用潜力。
END
参考文献：
Wu Jianfei, Cui Ziwei, Yu Yang, Yue Bo, Hu Jundie, Qu Jiafu, Li Jianzhang, Tian Dan, Cai Yahui. Multifunctional Solar Evaporator with Adjustable Island Structure Improves Performance and Salt Discharge Capacity of Desalination. Advanced Science, 2023, 10, 2305523.
https://doi.org/10.1002/advs.202305523
