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关键词：界面太阳蒸发（Interfacial solar evaporation）；光热材料（Photothermal
materials）；原位蒸发表征（In-situ evaporation characterization）；核磁共振弛豫（NMR relaxation）；多壳结构（Multi-shelled
structure）；碳基蒸发器（Carbon-based evaporator）研究背景
太阳能驱动的海水淡化技术作为一种环保可持续的途径，特别是基于碳材料的光热材料在界面太阳蒸发中的应用。碳材料因其高太阳吸收率、化学稳定性、可调节结构、易于制备和低成本而受到关注。然而，碳基材料的光热转换效率有限，因为它们的红外辐射率较高，导致实际光热脱盐应用中清洁水产量较低。为了提高太阳能吸收和减少反射损失，在本项工作中，作者探索了具有不同结构设计的碳材料，包括片状排列、多孔设计和层状配置。
研究内容
本研究采用多壳中空多孔碳纳米球（MS-HCNs）作为高性能太阳能吸收体来制备光热蒸发器。这些多壳多孔纳米结构提供了大量的界面，以提高光吸收和光热转换效率。特殊的多孔多壳结构延长了水通过MS-HCNS与亲水性表面相互作用的时间，有效地降低了蒸发焓。基于三壳中空碳纳米球（3S-HCNs）的蒸发器实现了2.4 kg m−2 h−1的卓越太阳能驱动蒸发速率。利用原位低场核磁共振（LF-NMR）弛豫时间分布和分子动力学模拟研究了太阳蒸发过程中大块自由水（FW）自发转化为中间水（IW）的过程。
图文导读
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图1. 不同壳数MS-HCNs样品的COMSOL模拟：(a)温度分布，(b)蒸汽分布，(c)水流速率。（d-f）1S-CN、2S-CN、3S-CN的SEM图像和（g-i）TEM图像。（j-m）3S-CN样品的EDS元素映射。图2. MS- HCNs蒸发器的特性。(a) XRD图谱。(b)拉曼光谱。(c)高分辨率N 1 s XPS光谱。(d)高分辨率O 1 s XPS光谱。(e) FT-IR光谱。(f)紫外-可见-近红外（UV-Vis-NIR）光谱。图3. (a)蒸发器冻干后完全膨胀的照片。(b)锚定在凝胶表面的多壳多孔碳纳米球。(c) 3S-CN@H蒸发器在同一太阳照射0、10、30、60 min后的温度分布红外图像（比例尺：1 cm）。(d)蒸发器在南海海水中的蒸发性能。(e)连续太阳能脱盐10个周期（每个周期为1 h）的持续时间试验。(f)净化前后海水中Na+、Mg2+、K+和Ca2+的浓度。(g)蒸发器的蒸发速率和相应的能源效率。(h)黑暗条件下的水蒸发速率和计算的水蒸发焓。(i)本工作与以往参考文献中典型碳基蒸发器的性能比较。图4. 水蒸发过程中时间分辨的1h T2弛豫分布。在蒸发0、3、10、20和30分钟时获取数据。分布表明系统表现出给定T2弛豫时间的相对概率密度，并通过每个系统的原始核磁共振信号进行缩放，这样峰值积分就可以定量地了解水凝胶的含水量。限制水种群和无限制水种群分别用长T2和短T2表示，水凝胶中水分的蒸发用蓝色箭头表示。（c, d）图4b中不受限制水域和受限制水域种群的T2松弛数据综合。数据点提供了水凝胶含水量随时间变化的定量指示，在蒸发过程中，含水量明显呈近似指数下降。图5. 蒸发过程中水组分动力学的MD模拟。(a)水分子损失量，包括总损失量、水位差和水位差。深灰色的层表示带有官能团装饰的石墨。直径为30 Å的黄色球形簇代表FW，直径为100 Å×80 Å的粉色层代表IW。(b)地面由水冷转变为水冷的蒸发示意图。(c)不同水组分氢键数的变化。结论与展望
利用多孔碳纳米球作为太阳能吸收器，构建了一种高效的光热蒸发器。采用3S-CN的蒸发器表现出卓越的太阳能驱动脱盐性能，在一次太阳光照下实现了令人印象深刻的2.4 kg m−2h−1的蒸发速率。该蒸发器的优异性能可归功于其多壳多孔纳米结构和亲水表面，大大提高了太阳能吸收、光热转换效率、水分扩散和蒸发。此外，3S-CN在水凝胶表面的选择性分布显著降低了蒸发器的热损失。3S-CN的多壳多孔结构有效延长了其亲水性官能团与通过其的水的相互作用时间，有利于降低蒸发焓。原位LF-NMR表征和MD模拟提示，在太阳蒸发过程中，FW自发转化为IW，以补充蒸发的IW，从而导致持续的高蒸发速率。这种独特的低成本碳基蒸发器的可扩展制造工艺在太阳能驱动的海水淡化和废水处理技术等各个领域具有巨大的应用潜力。
参考文献：Bo Fu, Xinyuan Zhang, Neil Robinson, et al.,
Multi-shelled hollow porous carbon nanospheres-based evaporator for highly
efficient solar-driven desalination. Nano Energy 129, 110054 (2024).文献链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110054声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
