太阳能界面蒸发是一种新兴的太阳能捕获技术，旨在解决全球能源危机和淡水短缺问题。然而，不定向流动的水不可避免地充当了自上而下通过热对流传热的介质，导致蒸发性能不佳。为解决这一问题，华南理工大学郑大锋教授和广东工业大学邱学青教授等研究人员提出了一种可大规模生产且具有成本效益的策略，设计了一种具有两种不同曲折通道的高性能多功能双层太阳能气凝胶蒸发器。这种三维（3D）双层结构太阳能蒸发器（LPC@CSL@CS）由上层嵌有木质素基多孔碳（LPC）的壳聚糖/木质素（CSL）复合气凝胶层（具有垂直小通道），以及下层的亲水壳聚糖（CS）气凝胶组成。顶部的优异光热性能和蒸发能力，结合增强的毛细作用力，共同驱动了高效蒸发。木质素的存在不仅提高了复合气凝胶的亲水性和饱和含水量，同时也充当了光吸收材料的前驱体。底部大孔的CS气凝胶无序通道可以抑制过量的水向上层传输，还降低了水的蒸发焓。这种独特的设计使其能够最大限度地利用来自太阳光的热量，并将产生的热量局域化，同时提供充足的水供应。因此，优化后的自漂浮式LPC@CSL-5:5@CS双层气凝胶蒸发器在1个太阳光强（1 kW m^-2）照射下，实现了理想的水蒸发速率（1.717 kg m^-2 h^-1 ）和光热转换效率（90.63%）。此外，所设计的蒸发器还表现出持久的耐盐性、优异的稳定性和可回收性。值得注意的是，LPC-50 mg@CSL-5:5气凝胶在3个太阳光强下可产生279 mV的电压输出，可以驱动电风扇。整个体系完全由生物质构成成本低廉，且这种多功能气凝胶蒸发器在大规模应用（包括太阳能海水淡化、废水净化和热电生产）中展现出巨大潜力。该研究以题为“Multifunctional Fully Biomass-Derived Bilayer Aerogel for Efficient Solar-Driven Desalination and Thermoelectricity Generation” 的论文发表在《ACS Nano》期刊上。

【材料设计与制备】

图1. 制备 LPC@CSL@CS 气凝胶蒸发器的示意图

  LPC@CSL@CS 气凝胶的制备过程如图 1 所示。制备完成的双层蒸发器由光热转换层和水运输层组成。LPC 作为一种优异的光吸收剂，通过物理混合嵌入 CSL 基质中。具体制备过程如下：先将壳聚糖（CS）分散于碱性尿素溶液，经两次冻融循环后加入交联剂环氧氯丙烷（ECH）倒入模具。以无色透明的 CS 水凝胶作为底层，再将壳聚糖与木质素按不同质量比混合，加入木质素基多孔碳（LPC）形成 LPC@CSL 复合预凝胶溶液，倒入底层 CS 水凝胶上，二次凝胶化后形成双层水凝胶；接着将其浸入去离子水除去多余未反应试剂，将上层置于液氮中进行定向冷冻，使上层形成垂直有序的小孔结构，最后经冷冻干燥得到具有上层垂直导向LPC@CSL 小孔通道和下层亲水CS 无序大孔的双层气凝胶，该结构通过增强毛细力促进水传输并实现热局域化。

【结构表征】

图2 (a-d) LPC-50 mg@CSL-9:1、(b) LPC-50 mg@CSL-7:3、(c) LPC-50 mg@CSL-5:5 和 (d) CS 气凝胶横截面结构的 SEM 图像（插图为 CS 气凝胶的孔径分布）；(e) LPC@CSL-5:5 的表面；(f) LPC@CSL-5:5 的纵截面结构；(g) LPC@CSL-5:5 的 EDS 能谱；(h) LPC@CSL-5:5 复合气凝胶中 C、O、N 和 S 的元素分布图。

  图2a-d 展示了 LPC-50 mg@CSL 复合气凝胶和 CS 气凝胶内部结构的 SEM 图像。SEM 图像表明，所有LPC@CSL 均呈现出致密的三维（3D）互连网络结构。如图2a 所示，当壳聚糖与木质素的重量比从 9:1 增加到 5:5 时，LPC@CSL 气凝胶的孔径从 1–3 μm 增加到 15–25 μm（图 2a–c）。复合气凝胶的孔径随着木质素含量的增加而增大，这主要是由于木质素存在大量亲水官能团（例如羧基和羟基）。对于底层，SEM 图像显示 CS 气凝胶层具有极其丰富的大孔且这些大孔排列密集，平均孔径为 179.82 μm（图 2d）。大孔的存在有利于水的传输，由于毛细效应，它在后续的海水淡化过程中对促进盐分的传输起着不可或缺的作用。值得注意的是，复合气凝胶表面存在一些褶皱状条纹，导致表面粗糙（图2e）。粗糙的表面不仅可以减少光反射，还有利于增强光在气凝胶孔内的散射，从而实现高效的光捕获。在纵截面中（图2f）可以清晰地看到大量垂直微米级通道，这是由于在冰模板冷冻过程中，温度梯度驱动冰晶定向生长所致。这种独特的结构不仅通过多次反射和散射增强了太阳光吸收，还促进了蒸发界面的持续供水以及有效的盐分离子化，这对于防止盐结晶至关重要。

【太阳能海水淡化和废水净化应用】

图3. (a) 使用 LPC-50 mg@CSL-5:5@CS 蒸发器在不同浓度的 NaCl 水溶液中水的质量随时间的变化；(b) LPC-50 mg@CSL-5:5@CS 蒸发器在不同浓度的 NaCl 溶液中的蒸发速率；(c) LPC-50 mg@CSL-5:5@CS 在 3.5 wt % NaCl 溶液中的长期稳定性；(d) 在1个太阳光照条件下，表面覆盖固体盐（0.5 g）的 LPC- 50 mg@CSL-5:5@CS 蒸发器的盐溶解照片；（e）LPC-50 mg@CSL-5:5@CS 蒸发器在不同溶液中的蒸发速率；（f）蒸发前后五种重金属离子的前后浓度变化；（g）用 pH 试纸比较蒸发前后强酸性溶液和强碱性溶液的 pH 值变化。

  如图3a、b 所示，当 NaCl 溶液的浓度从3.5 wt % 增加到 20 wt % 时，LPC-50 mg@CSL-5:5@CS 的蒸发速率呈下降趋势，计算得出的水蒸发速率分别为 1.678 kg m^-2h^-1 (3.5 wt %)，1.616 kg m^-2h^-1(5 wt %)，1.568 kg m^-2h^-1 (10 wt %)，1.450 kg m^-2h^-1(15 wt %) 和 1.324 kg m^-2h^-1(20 wt %)。当盐的浓度从3.5 wt % 增加到 20 wt % 时，LPC-50 mg@CSL-5:5@CS 的蒸发性能仅下降了 21%，显示出极佳的耐盐性。如图3c 所示，在 3.5 wt % NaCl 溶液中进行 30 次循环蒸发试验期间，LPC-50 mg@CSL-5:5@CS 蒸发器的蒸发率略有波动。图3d展示了LPC-50 mg@CSL-5:5@CS气凝胶蒸发器在20 wt%高浓度盐水中的拒盐能力实验，将0.5 g固体盐置于蒸发器表面，在1个太阳光照下，固体盐在80分钟内完全溶解。在此情况下，表面溶液的盐浓度高于下方本体溶液浓度，所负载的固体盐由于毛细作用的持续水分输送而溶解到下层NaCl 溶液中。值得注意的是，垂直有序的微通道提供了充足的水通量，使得盐离子能够穿过底部亲水的大孔CS 气凝胶通道，通过扩散和对流返回到下方的本体溶液中。此外，LPC-50 mg@CSL-5:5@ CS 还在不同的水溶液（包括含染料废水、强酸（pH = 1）和强碱（pH = 13）溶液）中进行了蒸发试验。如图 3e 所示，LPC-50 mg@CSL-5:5 在 MB、MO、RhB、NaOH 和 HCl 中的蒸发率分别为 1.824、1.669、1.641、1.681 和 1.682 kg m^-2h^-1。如图3f，当处理含有重金属离子（10³mg L^-1) 的废水时，LPC-50mg@CSL-5:5@CS 蒸发出的水中 Co²⁺ ,Cu²⁺, Mn²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺的浓度分别降低至 0.14, 0.11, 0.21, 0.10, 和 0.07 mg L^-1。LPC-50 mg@CSL-5:5@CS气凝胶蒸发器对五种重金属离子的去除率均在 99% 以上，且强酸和强碱溶液收集的净化水pH值为7，接近中性（图3g）。

【户外蒸发实验】

图4.(a) 大型户外太阳能海水淡化装置；(b) 60 分钟光照下的户外蒸发过程的实物照片；(c) 户外测量 10 小时内太阳光照射强度、产水量、环境温度和湿度的时间变化；(d) LPC-50 mg@CSL-5@CS 进行户外海水淡化实验模拟海水中的盐离子浓度（Na⁺ 、Mg²⁺、K⁺ 和Ca²⁺）前后变化；(e) LPC-50 mg@CSL-5:5@CS 海水淡化实验后对四种盐离子的去除率。

  为了研究LPC-50 mg@CSL-5:5@CS 气凝胶在自然光照下的实际海水淡化性能，该研究团队在华南理工大学（中国广州）的实验楼屋顶上使用定制装置进行了户外实验。如图 4a 所示，一个双层 LPC-50 mg@CSL-5:5 气凝胶蒸发器（长约 10 cm，宽约 10 cm，厚约 1 cm）自漂浮在模拟海水表面上。随着辐射强度和环境温度随时间变化，原本透明的蒸发装置内壁上逐渐因凝结悬挂的水滴而变得模糊（图4b）。测试期间的最大光照强度为 0.79 kW m^-2，最高温度为 37.3 °C。该装置在 14:00产水量最大为 0.985 kg m^-2 h^-1；经过 10 小时的户外辐照后，累计产水量达到 6.025 kg m^-2（图 4c）。此外，收集到的冷凝水中四种主要离子（Na⁺, Mg²⁺, K⁺, Ca²⁺）的浓度显著降低：从初始模拟海水中的 1150.18 mg L^-1, 1340.18 mg L^-1, 398.98 mg L^-1 和 551.85 mg L^-1 分别降至 1.67 mg L^-1, 0.20 mg L^-1, 0.37 mg L^-1 和 0.65 mg L^-1（图 4d），离子去除率均超过 99%（图 4e）。淡化后水的离子浓度符合世界卫生组织 (WHO)（1%）和美国环保署 (US EPA)（0.5%）规定的饮用水标准。上述结果表明，LPC-50 mg@CSL-5:5@CS 气凝胶在自然光照条件下用于获取清洁水具有实际应用价值。更重要的是，经计算，LPC-50 mg@CSL-5:5@CS 的成本约为14.179 $ m^-2，这表明这种全生物质太阳能蒸发器在实际太阳能蒸发和海水淡化的大规模制造应用中是一个极具吸引力的选择。

【热电生产】

图5.(a) 热电装置的实物照片；(b) 热电生产原理示意图；(c) LPC-50 mg@CSL 开路电压 （V_oc）循环性能；(d) LPC-50 mg@CSL-5:5 光热气凝胶的开路电压 （V_oc）和 (e)短路电流（I_sc）的循环性能；(f) 不同光照强度（1、2 和 3 kW m ^-2 ）下热电装置表面的红外图像；(g) 不同光照强度（1、2 和 3 kW m ^-2 ）下热电装置表面与循环水之间的温差；(h) 不同光照强度（1、2 和 3 kW m ^-2 ）下LPC-50 mg@CSL-5:5的功率密度。

  除了利用太阳能蒸汽产生补充清洁水外，热电生产同样至关重要。在光热材料进行光热转换的同时，其产生的热量可立即用于发电。热电装置由一个光热发电顶层（光热气凝胶）、一个热电（TE）模块和一个恒温平台组成，以实现高效的热电发电（图5a）。基于塞贝克效应，上侧通过热扩散从光热气凝胶中获得较高的温度，下侧被循环水冷却，形成有效温差发电（图5b）。由于高温端强烈的热激发，TE模块内部的载流子被驱动从热端向冷端移动，并在低温端聚集形成电势差。恒温平台与循环水保持恒温连接。热电发电采用厚度为2毫米的光热气凝胶，下方有TE模块。如图 5c 所示，在 1 个太阳光照下（1 kW m^-2），LPC-50 mg@CSL-5:5 产生的最大输出电压为 108.4 mV，而未使用光热气凝胶的空白 TE 模块的输出电压仅为 36.1 mV。这表明应用光热气凝胶使开路电压相比无气凝胶的情况下提高了3 倍以上。随着光照强度增加到 2 个太阳和 3 个太阳辐照度，该集成装置的开路电压分别达到 189.4 mV 和 279.5 mV（图 5d）。

  此外，三次光照开/关循环测试验证了蒸发器光热诱导热电生产的稳定性。同时，也测试了三个循环中不同太阳辐照度下的电流稳定性。如图 5e 所示，在 1 个太阳光照下，LPC-50 mg@CSL-5:5 热电装置产生的电流输出为 10.7 mA，而空白 TE 装置的电流输出为 4.3 mA。当热电装置暴露在 3 个太阳光照下时，该装置能够驱动一个小风扇运转。实验中冷端温度维持在 29 °C。在 1、2 和 3 个太阳辐射强度下，LPC-50 mg@CSL-5:5 的表面温度逐渐达到 70.4 °C、96.6 °C 和 119 °C（图 5f）。太阳辐照度的增加导致温差扩大，从而产生更高的电能。LPC-50 mg@CSL-5:5 与循环水之间产生的温差分别约为 41.4 °C、67.6 °C 和 90.0 °C（图 5g）。相比之下，在 1 个太阳光照下，空白 TE 模块仅产生 3.8 °C 的温差和 0.1 W m^-2 的功率密度。该热电装置在 1、2 和 3 kW m^-2 光照强度下分别产生 0.72 W m^-2、2.42 W m^-2 和 5.43 W m^-2 的功率密度（图 5h）。在1个太阳下，LPC-50mg@CSL-5:5的最大输出功率密度为0.72 W m^?2，是不加蒸发器时的7.2倍，占太阳能的0.072%。上述结果表明，该光热气凝胶具有优异的热电响应特性和广阔的应用前景。

  综上所述，本研究开发了一种全生物质基双层气凝胶蒸发器（LPC@CSL@CS），其上层为木质素基多孔碳（LPC）嵌入壳聚糖/木质素（CSL）的垂直微通道光热层，下层为高曲折度大孔壳聚糖（CS）水传输层。该设计通过低曲折度上层加速水输运与高曲折度下层抑制过量水供给的协同作用，结合CS亲水基团降低水蒸发焓（1990.9 J g^?1）及LPC宽光谱吸收（95.49%），实现了高效热局域化与蒸汽生成。在1个太阳辐照下，蒸发速率达1.717 kg·m?2·h?1，光热转换效率达90.63%，并在20%高盐水中保持稳定蒸发（仅降21%）。此外，材料具备污水处理（重金属/染料去除率>99%）与热电转化功能（3个太阳照射下输出电压为279 mV）。此工作为多功能太阳能蒸发器的结构设计与生物质资源化利用提供了新思路。

  原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c01360