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  水資源和能源短缺是一些發(fā)展中國家面臨的兩大挑戰(zhàn)。太陽能蒸發(fā)器吸收太陽能在水-空氣界面產(chǎn)生熱量，將水轉(zhuǎn)化為蒸汽，是備受關(guān)注的一種高效海水淡化和發(fā)電器件。高效的太陽能蒸發(fā)器骨架結(jié)構(gòu)應(yīng)具有以下特點(diǎn)：（1）具有較高的太陽能吸收和光熱轉(zhuǎn)換效率；（2）結(jié)構(gòu)具有高效的水傳輸能力和抗鹽結(jié)晶的魯棒性；（3）結(jié)構(gòu)與水之間的接觸界面需要精心設(shè)計，以實(shí)現(xiàn)高效率和多功能性，包括降低汽化焓、調(diào)節(jié)表面能、管理溫度分布、具有水伏發(fā)電效應(yīng)等。當(dāng)前，具有上述優(yōu)點(diǎn)的太陽能蒸發(fā)器骨架結(jié)構(gòu)依然有待開發(fā)。

1. 天然微米纖維自組裝腳手架結(jié)構(gòu)

  微納纖維組裝結(jié)構(gòu)有利于通過大的比表面積提高太陽能吸收和光熱轉(zhuǎn)換效率以及水分的浸潤和傳輸效率，然而低微材料的組裝依賴較高的經(jīng)濟(jì)和時間成本。該太陽能蒸發(fā)器骨架結(jié)構(gòu)使用白千層木(Melaleuca Leucadendron L.)，其微觀結(jié)構(gòu)為疏松有序的微米細(xì)胞壁纖維（直徑約10微米）自組裝形成的腳手架結(jié)構(gòu)。基于層流和兩相流耦合的數(shù)值模擬顯示，與大部分具有通孔的木材結(jié)構(gòu)相比，具有腳手架結(jié)構(gòu)的白千層木具有明顯更高的水分傳輸效率。同時微米纖維自組裝的結(jié)構(gòu)形式能夠有效抑制骨架結(jié)構(gòu)內(nèi)的鹽沉積。該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用拓展了太陽能蒸發(fā)器骨架結(jié)構(gòu)的種類，同時促進(jìn)了該類木材的高凈值化應(yīng)用。

2. MXene調(diào)控蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)界面

  吸附在碳化白千層腳手架結(jié)構(gòu)上的MXene微納米片能夠提高蒸發(fā)器的太陽能吸收效率（特別是近紅外和近紫外波段）；通過降低水的接觸角，提高水的浸潤和傳輸效率；通過提高與水分子之間的結(jié)合能，降低水的蒸發(fā)焓，提高水分蒸發(fā)效率；通過提供帶電離子吸附位點(diǎn)，產(chǎn)生水伏發(fā)電效應(yīng)。MXene和腳手架碳化木材的復(fù)合結(jié)構(gòu)提高了蒸發(fā)效率并實(shí)現(xiàn)了多功能化。

3. 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的熱分布管理

  MXene復(fù)合碳化木材和生物質(zhì)多糖（魔芋葡甘聚糖和海藻多糖）凝膠共同構(gòu)建的低熱導(dǎo)率結(jié)構(gòu)，有利于抑制熱量蒸發(fā)裝置的熱量從頂部向下傳遞，通過將熱量集中在頂部蒸發(fā)區(qū)域從而提高蒸發(fā)效率。通過溫度場有限元模擬證明了低熱導(dǎo)率結(jié)構(gòu)對蒸發(fā)裝置整體的熱分布管理。

4. 蒸發(fā)器的性能

  得益于上述機(jī)制的耦合協(xié)同作用，該太陽能蒸發(fā)器表現(xiàn)出了優(yōu)異的蒸發(fā)效率和蒸發(fā)速率。在2個太陽光光照30 min的條件下，水凝膠負(fù)載MXene修飾的具有“腳手架”結(jié)構(gòu)的碳化木材的器件(CMSK)的表面溫度分別升高到71.7℃，蒸發(fā)速率為3.71 kg?m^?2?h^?1，蒸發(fā)效率為129.64%。

  該論文使用MXene修飾的碳化白千層樹木(Melaleuca Leucadendron L.)與鈣離子交聯(lián)魔芋葡甘聚糖和海藻多糖生物基水凝膠構(gòu)建了太陽能蒸發(fā)器。通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬對蒸發(fā)器的機(jī)制進(jìn)行探索。該蒸發(fā)器具有高效和多功能的優(yōu)勢，并且主要利用生物質(zhì)材料構(gòu)建，綠色環(huán)保、價格低廉、使用壽命長，具有廣闊的應(yīng)用前景。

  福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院龐杰研究員，土木與交通工程學(xué)院邱仁輝教授、吳淑一副教授為論文的共同通訊作者，北京石墨烯研究院蹇木強(qiáng)博士為本工作的重要完成人。福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院碩士研究生陳婕為第一作者，福建農(nóng)林大學(xué)為唯一通訊單位。龐杰研究員長期致力于魔芋葡甘聚糖等天然植物多糖結(jié)構(gòu)與功能活性的相關(guān)性的研究；邱仁輝教授主要從事生物質(zhì)復(fù)合材料、林產(chǎn)品加工機(jī)械設(shè)計及理論、木材生產(chǎn)技術(shù)與管理等方面的研究；吳淑一副教授從事復(fù)合材料和軟物質(zhì)力學(xué)的多尺度數(shù)值模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)分析；該研究計劃得到國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金、福建省自然科學(xué)基金、福建農(nóng)林大學(xué)杰出青年基金等項目資助。

  論文信息：

  Highly Effective Multifunctional Solar Evaporator with Scaffolding Structured Carbonized Wood and Biohydrogel.

  Jie Chen, Muqiang Jian, Xiaoyi Yang, Xiaolu Xia, Jie Pang*, Renhui Qiu*, and Shuyi Wu*

  ACS Applied Materials & Interfaceshttps://doi.org/10.1021/acsami.2c11399

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