全球水资源短缺与气候危机推动了太阳能驱动界面蒸发器（solar-driven interfacial evaporators, SDIEs）的发展，使其成为一种由可再生能源驱动的可持续淡水获取方案。该系统通过引入光热材料，在水与空气界面吸收太阳光并转化为热能，从而驱动水分蒸发，生成的水蒸气随后被冷凝并收集为淡水。然而，由于大多数水源中含有盐离子，盐结晶成为太阳能蒸发过程中的一个普遍难题。盐的沉积不但会堵塞蒸发器表面的蒸汽逸出通道，而且会覆盖吸光材料，从而降低光热转换效率。

为了解决这一问题，卡尔加里大学化学与石油工程系吕清叶教授课题组近期发表了题为《Nanoporous fibrous 3D solar evaporator for efficient freshwater generation and salt recovery》的研究论文。该研究采用静电纺丝工艺制备了具有纳米孔结构（孔径范围为数十至数百纳米）的醋酸纤维素（CA）纤维，从而实现高效蒸汽生成、充足水分输运以及优化的热管理。随后，将电纺CA薄膜卷制成圆柱结构，并通过部分浸涂碳黑/聚乙烯醇（CB/PVA）构建了一种环保型三复合材料SDIE（图1）。其中，利用碳黑（CB）作为光热材料，聚乙烯醇（PVA）作为可降解粘结剂共同形成稳定的涂层。

图1. 纤维状三维太阳能蒸发器的制备与表征

这种新颖的三维结构不仅能通过将热量局限于顶部表面从而降低传导热损失，还可以实现冷蒸发以获取环境能量，并通过促进盐结晶得边缘优先生长从而实现盐回收。该蒸发器在1 个标准太阳辐照强度光照条件下实现了高达4.44 kg m-2 hr-1  的蒸发速率，对应等效蒸发焓计算的光热转换效率为 107.3%（图2）。这一优异性能归因于材料与水之间的相互作用及纳米多孔结构（图1）所导致的蒸发焓降低，以及由冷蒸发引发的环境能量获取效应（图2）。

图2. 三维太阳能蒸发器的光热转换及蒸发性能

在 1 个标准太阳辐照强度光照条件下，该太阳能驱动界面蒸发器（SDIE）能够稳定处理盐浓度为 3.5–20 wt.% 的盐水，并由于其纤维状微孔结构，实现了边缘优先的盐结晶（图3）。这一结构特性使盐分可以在重力作用下被有效收集，同时此SDIE能够在 10 wt.% 得NaCl 溶液中连续运行 10 天 仍保持稳定性能，其平均蒸汽生成速率和产盐速率分别为 4.71 kg·m⁻²·h⁻¹ 和 3.21 kg·m⁻²·day⁻¹。此外，计算流体力学（CFD）模拟进一步验证了这种边缘优先的盐分聚集现象（图4）。

图3. 三维太阳能蒸发器中的脱盐与盐结晶过程

图4. 三维太阳能蒸发器的盐结晶机理及计算流体力学（CFD）模拟

从 3.5 wt.% NaCl 溶液得模拟海水冷凝实验中得到的水具有高纯度，其电导率显著降低（图5）。室外实验进一步表明，该太阳能驱动界面蒸发器（SDIE）在实际条件下也能保持稳定性能。

 图5. 三维太阳能蒸发器的实际性能

该太阳能蒸发器展示了在同时制备淡水和回收盐分方面的强大潜力，为盐水净化中的零液体排放（ZLD）策略提供了可行途径。

文章链接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1383586626004284

人物简介
吕清叶教授 （Qingye Lu） 现任加拿大卡尔加里大学化学与石油工程系的终身正教授。她的研究方向主要包括胶体与界面科学、仿生与天然材料、二维材料、聚合物、纳米材料与纳米技术及其在生物医学，能源与环境中的应用。近年在先进功能材料，自然评论化学等高端杂志上发表科研论文100多篇，被列入斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”榜，并荣获卡尔加里大学2020舒立克早期职业研究奖和2024舒立克职业研究奖。