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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-空氣界面產生熱量，將水轉化為蒸汽，是備受關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)器骨架結構應具有以下特點：（1）具有較高的太陽能吸收和光熱轉換效率；（2）結構具有高效的水傳輸能力和抗鹽結晶的魯棒性；（3）結構與水之間的接觸界面需要精心設計，以實現(xiàn)高效率和多功能性，包括降低汽化焓、調節(jié)表面能、管理溫度分布、具有水伏發(fā)電效應等。當前，具有上述優(yōu)點的太陽能蒸發(fā)器骨架結構依然有待開發(fā)。

1. 天然微米纖維自組裝腳手架結構

  微納纖維組裝結構有利于通過大的比表面積提高太陽能吸收和光熱轉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濟和時間成本。該太陽能蒸發(fā)器骨架結構使用白千層木(Melaleuca Leucadendron L.)，其微觀結構為疏松有序的微米細胞壁纖維（直徑約10微米）自組裝形成的腳手架結構。基于層流和兩相流耦合的數值模擬顯示，與大部分具有通孔的木材結構相比，具有腳手架結構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構形式能夠有效抑制骨架結構內的鹽沉積。該結構的應用拓展了太陽能蒸發(fā)器骨架結構的種類，同時促進了該類木材的高凈值化應用。

2. MXene調控蒸發(fā)器結構界面

  吸附在碳化白千層腳手架結構上的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，產生水伏發(fā)電效應。MXene和腳手架碳化木材的復合結構提高了蒸發(fā)效率并實現(xiàn)了多功能化。

3. 蒸發(fā)器結構的熱分布管理

  MXene復合碳化木材和生物質多糖（魔芋葡甘聚糖和海藻多糖）凝膠共同構建的低熱導率結構，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率結構對蒸發(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，水凝膠負載MXene修飾的具有“腳手架”結構的碳化木材的器件(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建了太陽能蒸發(fā)器。通過實驗和數值模擬對蒸發(fā)器的機制進行探索。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材料構建，綠色環(huán)保、價格低廉、使用壽命長，具有廣闊的應用前景。

  福建農林大學食品科學學院龐杰研究員，土木與交通工程學院邱仁輝教授、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博士為本工作的重要完成人。福建農林大學食品科學學院碩士研究生陳婕為第一作者，福建農林大學為唯一通訊單位。龐杰研究員長期致力于魔芋葡甘聚糖等天然植物多糖結構與功能活性的相關性的研究；邱仁輝教授主要從事生物質復合材料、林產品加工機械設計及理論、木材生產技術與管理等方面的研究；吳淑一副教授從事復合材料和軟物質力學的多尺度數值模擬和機器學習分析；該研究計劃得到國家自然科學基金、中國博士后科學基金、福建省自然科學基金、福建農林大學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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