太阳能蒸发技术能够以太阳辐射为唯一能量来源，通过驱动水体在固-液-气三相界面发生蒸发，实现水与盐分等可溶性杂质的相变分离，从而高效获取淡水。该技术因其制备工艺简便、成本低廉且环境适应性广，在海水淡化等领域展现出巨大的应用潜力。同时，人们发现通过纳米材料之间相互作用，能够将机械能、热能等能量转化为电能，通过太阳能界面蒸发实现水电联产。然而，高盐度水环境下蒸发层盐结垢，蒸发与发电模块耦合复杂问题，始终限制水电联产装置的发展。
近日，天津工业大学康卫民教授、朱文举教授、鞠敬鸽在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上发表了最新研究成果“An All-in-One Green Energy Solution: Electricity–Freshwater Cogeneration via a Solar-Driven Wood Sponge Evaporator”。将芳纶纳米纤维（ANF）与多孔碳纳米纤维（PCNF）组成的复合气凝胶网络浸渍于木海绵（WS）中，制备得到太阳能蒸发器（Aramid nanofiber porous carbon wood sponge, ACWS）。木质海绵大孔结构提供离子交换空间降低盐结垢，高吸水性传输通道持续向蒸发面补充水，定向水流与PCNF和木质纤维作用产生流动电位。芳纶气凝胶稳定负载PCNF，同时分割水簇降低蒸发焓。高表面使其具备染料吸附性能。在模拟太阳光（AM 1.5G，1个太阳=1 kW/m²，样品温度=25 °C）条件下，针对3.5 wt%盐水实现了2.931 kg/(m²·h)的蒸发速率和138.8 mV的电压。天津工业大学康卫民教授、朱文举教授、鞠敬鸽为共同通讯作者，博士研究生王永澄为第一作者。
图1 ACWS制备流程示意图
ACWS是由碱煮氧化轻木获得的WS，静电纺丝和一步碳化工艺获得的PCNF，溶胶-凝胶法获得的ANF组成的。芳纶溶胶均匀分散PCNF，通过浸渍法进入WS内部后凝胶化，既保证PCNF稳定负载于WS表面，又能增加其蒸发过程中与水接触产生的双电层面积。
图2 WS, AWS, ACWS形貌分析
如图2a所示，天然轻木由细胞壁间木质素刚性骨架构成。碱煮氧化工艺后（2b），木质纤维间变得孔隙丰富。浸渍后的ANF气凝胶与木质纤维紧密集合（2c），同时均匀完整包覆PCNF（2d-f）。
图3 基础性能测试
WS能够吸收超自身重量8倍的水分，即使加入ANF后占据一定孔空间，仍能保持超过5倍自重的吸水量。WS和PCNFζ电位分别为-16.4mV和-25.6mV，ANF仅有-1.06mV。证明材料能够产生流动电位且由木质纤维和多孔碳作为来源。随着ANF和PCNF的加入，WS比表面积由18.59m2/g增至24.8m2/g和27.2m2/g，展现出产生更多双电层潜力。
图4 光吸收、抗盐、导热、光热性能
WS可见光范围内光吸收率仅在20.5%-53.7%，ACWS在工作状态下达到全光谱98%的光吸收率。这说明ANF在包覆固定PCNF的基础上并未对其光吸收性能造成影响。ACWS在蒸发过程中，只要保证大体水里盐不达到最高饱和溶解度，表面即不会产生盐结垢。即便在其表面放置0.1g盐模拟盐结垢，即可在60min内完全溶解回大体水中。其低导热系数达到0.096（W/m·k），有效防止热量向下扩散造成损失。
图5 染料吸附性能和电输出性能
多孔碳对染料大分子具有物理吸附效果，在染料废水流经ACWS过程中即可完全过滤，不涉及任何化学反应路径，符合绿色可持续性发展的水净化理念。ACWS产生的开路电压随PCNF掺杂量增加而提升。证明PCNF作为发电单元对流动电位的增强起到决定性作用。在模拟太阳光（AM 1.5G，1个太阳=1 kW/m²，样品温度=25 °C）条件下，ACWS在去离子水、1wt%和3.5wt%盐溶液中输出电压最终稳定在20mV，76mV和138.8mV左右，展现出其在高浓度盐水下的发电潜力。
作者以木质海绵复合纳米纤维气凝胶，构建多功能太阳能蒸发器。通过调控孔隙结构，分割水分子降低蒸发焓，并维持多级孔结构保障盐扩散通道，抑制结盐。同时提升比表面积与光吸收率，同步实现光热蒸发产水、原位光伏发电及染料吸附。材料绿色安全，符合可持续发展理念。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.6c01303
人物简介
康卫民教授
天津工业大学纺织科学与工程学院博士研究生导师，教育部重大人才计划入选者，中国纺织学术带头人，天津市中青年科技领军人才，天津市“131”第一层次创新型人才。长期从事纺织科学与先进纤维材料领域研究，在 JACS、eScience、Advanced Energy Materials 等国际重要期刊发表论文 200 余篇，H 因子 53，入选“全球前 2% 终身科学家”和“全球前 2% 年度科学家”；授权发明专利 52 项，编写教材著作 9 部。获国家技术发明奖二等奖、国家科学技术进步奖二等奖等科技奖励多项；先后荣获天津市优秀教师、天津市优秀科技工作者、天津市首届青年创新能手、百草纤维创新推动奖、全国纺织科技青年奖和“纺织之光”教师奖等荣誉。
朱文举教授
天津工业大学化学工程与技术学院博士研究生导师，天津市“131”创新型人才。致力于膜分离技术、聚酰亚胺高性能材料、特种防护材料、有机/高分子合成、阻燃剂设计等领域研究。主持国家自然科学基金、天津市自然科学基金等项目8项。荣获2023年“天开之星”天津市创新创业大赛一等奖。
鞠敬鸽
天津工业大学纺织科学与工程学院博士研究生导师、全国优秀创新创业博士后、中国科协青年托举人才。主要基于能源环境用静电纺丝微纳米纤维材料研究。主持国家自然科学基金、中国博士后科学基金等各类项目10项。先后荣获全国博士后创新创业大赛银奖、天津市优秀博士论文等荣誉。
