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  南京林業(yè)大學(xué)段改改副教授、蘇州科技大學(xué)張春媚老師與四川大學(xué)李乙文教授在近來纖維素基界面太陽能蒸發(fā)器的研究基礎(chǔ)上，近期在Advanced Functional Materials上發(fā)表了題為“Cellulose-based Interfacial Solar Evaporators: Structural Regulation and Performance Manipulation”的綜述文章。這篇綜述文章系統(tǒng)性地梳理，總結(jié)了纖維素基界面太陽能蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)調(diào)控帶來的性能調(diào)整，在展現(xiàn)纖維素基蒸發(fā)器性能改善策略的同時為其應(yīng)對未來挑戰(zhàn)，拓展應(yīng)用前景提供了新的方向和思路。

圖1 纖維素界面蒸發(fā)器的性能改進(jìn)方向與結(jié)構(gòu)調(diào)控策略

  界面太陽能蒸發(fā)器對于太陽能的直接利用使其成為了海水淡化中最具前景的方案。與此同時，纖維素獨特的分子結(jié)構(gòu)使其具有很多優(yōu)良的性能，如優(yōu)良的親水性，分子鏈軸向的高機械強度、剛度和模量，極大的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以及高反應(yīng)活性，使得纖維素基材充分滿足了界面太陽能蒸發(fā)器的要求（圖2）。其中根據(jù)纖維素在基材中的利用方式，纖維素基蒸發(fā)器又能夠分為兩類：自上而下利用的木質(zhì)基蒸發(fā)器，自下而上組裝的纖維素復(fù)合基材蒸發(fā)器。根據(jù)不同基材的特性，本文系統(tǒng)的總結(jié)了纖維素基蒸發(fā)器的制備方案，蒸發(fā)性能的改進(jìn)策略以及應(yīng)用功能的附加，并以此為后續(xù)的纖維素基蒸發(fā)器的構(gòu)建，改進(jìn)提供了參考。

圖2. 木質(zhì)材料中的纖維素結(jié)構(gòu)

  首先，木材中生長方向的定向通道，使其在優(yōu)異的定向輸水性能外，還利用各向異性的導(dǎo)熱性能實現(xiàn)了良好的隔熱，很好地滿足了界面太陽能蒸發(fā)器基材所需的性能。同時木質(zhì)基蒸發(fā)器由于木材中層次分明的多孔結(jié)構(gòu)以及通過紋孔形成的內(nèi)部三維（3D）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具備了較為出色的耐鹽性。在這一獨特結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，不斷地有結(jié)構(gòu)改善策略被提出來進(jìn)一步增強木質(zhì)基蒸發(fā)器的耐鹽性能，包括了脫木素處理，人工孔道陣列，非對稱潤濕性結(jié)構(gòu)，T型結(jié)構(gòu)等等（圖3）。

圖3. 木質(zhì)基蒸發(fā)器的耐鹽性改進(jìn)結(jié)構(gòu)

  其次，纖維素復(fù)合基材采用的自下而上的多樣制備方案使得相應(yīng)的蒸發(fā)器擁有了更為豐富的性能改進(jìn)策略（圖4）。在蒸發(fā)器外部結(jié)構(gòu)的調(diào)整之余，纖維素復(fù)合基材提供了更多樣化的蒸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)控方案，例如納米纖維素氣凝膠制備過程中對孔道的直徑或曲度進(jìn)行調(diào)控，3D打印時構(gòu)建有序，規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。與木質(zhì)基蒸發(fā)器的剛性規(guī)則結(jié)構(gòu)相對，纖維素復(fù)合材料基蒸發(fā)器擁有了更高的結(jié)構(gòu)創(chuàng)造自由度，因此一系列靈活的嶄新耐鹽性結(jié)構(gòu)得以實現(xiàn)：自動觸發(fā)的球狀自清潔蒸發(fā)器，引入虹吸-下降模式的錐狀蒸發(fā)器，吸水燭芯鹽分?jǐn)U散結(jié)構(gòu)，毛細(xì)作用或咖啡環(huán)效應(yīng)帶來的遷移結(jié)晶裝置（MCD）。

圖4. 纖維素復(fù)合材料基蒸發(fā)器的耐鹽性改進(jìn)結(jié)構(gòu)

  值得注意的是，纖維素復(fù)合材料基材在帶來豐富耐鹽性改進(jìn)策略的同時，還提供了多種提升蒸發(fā)器蒸發(fā)速度的手段（圖5）。具備大面積側(cè)面的柱狀，杯狀，翅片，球狀等結(jié)構(gòu)在側(cè)壁通過冷蒸發(fā)額外攝取環(huán)境能量，提升蒸發(fā)速度的同時，還能夠通過回收蒸發(fā)潛熱來提高蒸發(fā)器的太陽能利用效率。在此之外，2D水路帶來的低熱量損耗，表面潤濕性調(diào)整實現(xiàn)的熱量利用調(diào)整，蒸發(fā)器內(nèi)部親水性、孔道結(jié)構(gòu)調(diào)控完成的內(nèi)部水體的蒸發(fā)焓降低都極大地促進(jìn)了纖維素復(fù)合材料基蒸發(fā)器的蒸發(fā)速度的提高。

圖5. 冷蒸發(fā)實現(xiàn)的纖維素復(fù)合材料基蒸發(fā)器的高蒸發(fā)速度

  在滿足光熱性能，蒸發(fā)性能需求的基礎(chǔ)上，現(xiàn)實應(yīng)用的附加需求更多地被納入考慮，例如對于復(fù)雜水體的適應(yīng)能力（有機染料，油污等），蒸發(fā)過程的發(fā)電等等。總結(jié)部分，結(jié)合前文討論過程中的列表數(shù)據(jù)，纖維素基蒸發(fā)器的制備方案（光熱層構(gòu)建），蒸發(fā)性能（耐鹽性能，蒸發(fā)速度）的改進(jìn)策略參考都有所提供。最后，結(jié)合最新的研究進(jìn)展，纖維素基蒸發(fā)器的未來發(fā)展方向可以從以下三個方向展開：1）蒸發(fā)性能的保障，2）長期工作穩(wěn)定性的維持，3）實際應(yīng)用的可行性（圖6）。

圖6. 纖維素基蒸發(fā)器的未來發(fā)展方向

  文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202302351