水资源和能源短缺是一些发展中国家面临的两大挑战。太阳能蒸发器吸收太阳能在水-空气界面产生热量，将水转化为蒸汽，是备受关注的一种高效海水淡化和发电器件。高效的太阳能蒸发器骨架结构应具有以下特点：（1）具有较高的太阳能吸收和光热转换效率；（2）结构具有高效的水传输能力和抗盐结晶的鲁棒性；（3）结构与水之间的接触界面需要精心设计，以实现高效率和多功能性，包括降低汽化焓、调节表面能、管理温度分布、具有水伏发电效应等。当前，具有上述优点的太阳能蒸发器骨架结构依然有待开发。

1. 天然微米纤维自组装脚手架结构

  微纳纤维组装结构有利于通过大的比表面积提高太阳能吸收和光热转换效率以及水分的浸润和传输效率，然而低微材料的组装依赖较高的经济和时间成本。该太阳能蒸发器骨架结构使用白千层木(Melaleuca Leucadendron L.)，其微观结构为疏松有序的微米细胞壁纤维（直径约10微米）自组装形成的脚手架结构。基于层流和两相流耦合的数值模拟显示，与大部分具有通孔的木材结构相比，具有脚手架结构的白千层木具有明显更高的水分传输效率。同时微米纤维自组装的结构形式能够有效抑制骨架结构内的盐沉积。该结构的应用拓展了太阳能蒸发器骨架结构的种类，同时促进了该类木材的高净值化应用。

2. MXene调控蒸发器结构界面

  吸附在碳化白千层脚手架结构上的MXene微纳米片能够提高蒸发器的太阳能吸收效率（特别是近红外和近紫外波段）；通过降低水的接触角，提高水的浸润和传输效率；通过提高与水分子之间的结合能，降低水的蒸发焓，提高水分蒸发效率；通过提供带电离子吸附位点，产生水伏发电效应。MXene和脚手架碳化木材的复合结构提高了蒸发效率并实现了多功能化。

3. 蒸发器结构的热分布管理

  MXene复合碳化木材和生物质多糖（魔芋葡甘聚糖和海藻多糖）凝胶共同构建的低热导率结构，有利于抑制热量蒸发装置的热量从顶部向下传递，通过将热量集中在顶部蒸发区域从而提高蒸发效率。通过温度场有限元模拟证明了低热导率结构对蒸发装置整体的热分布管理。

4. 蒸发器的性能

  得益于上述机制的耦合协同作用，该太阳能蒸发器表现出了优异的蒸发效率和蒸发速率。在2个太阳光光照30 min的条件下，水凝胶负载MXene修饰的具有“脚手架”结构的碳化木材的器件(CMSK)的表面温度分别升高到71.7℃，蒸发速率为3.71 kg?m^?2?h^?1，蒸发效率为129.64%。

  该论文使用MXene修饰的碳化白千层树木(Melaleuca Leucadendron L.)与钙离子交联魔芋葡甘聚糖和海藻多糖生物基水凝胶构建了太阳能蒸发器。通过实验和数值模拟对蒸发器的机制进行探索。该蒸发器具有高效和多功能的优势，并且主要利用生物质材料构建，绿色环保、价格低廉、使用寿命长，具有广阔的应用前景。

  福建农林大学食品科学学院庞杰研究员，土木与交通工程学院邱仁辉教授、吴淑一副教授为论文的共同通讯作者，北京石墨烯研究院蹇木强博士为本工作的重要完成人。福建农林大学食品科学学院硕士研究生陈婕为第一作者，福建农林大学为唯一通讯单位。庞杰研究员长期致力于魔芋葡甘聚糖等天然植物多糖结构与功能活性的相关性的研究；邱仁辉教授主要从事生物质复合材料、林产品加工机械设计及理论、木材生产技术与管理等方面的研究；吴淑一副教授从事复合材料和软物质力学的多尺度数值模拟和机器学习分析；该研究计划得到国家自然科学基金、中国博士后科学基金、福建省自然科学基金、福建农林大学杰出青年基金等项目资助。

  论文信息：

  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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