Nano Energy：植物蒸腾作用启发的光热抗菌蒸发器

一．研究背景

淡水在我们人类社会的经济发展和生命活动中扮演着至关重要的角色。但随着人口的增长和工业生产对淡水的需求不断增加，以及水源受到高污染的影响，导致淡水资源短缺的问题变得愈发严重。为了解决这一淡水危机，海水淡化被认为是一个有效的方法。然而，传统的海水淡化技术通常需要大量能源的支持，因此使用太阳能来驱动海水淡化过程成为了备受瞩目的方向，因为它高效、低碳、节能。我们课题组一直关注这个领域，并有了一些新的进展。

目前，许多研究都着眼于设计二维蒸发界面，以实现良好的热限制效果，从而提升蒸发性能。然而，光热海水淡化涉及到诸如光吸收、水输运和热管理等多个过程，仅仅依靠单一的二维界面难以满足这些要求。因此，我们认为在三维结构中综合优化这些过程将是最有效的方法之一。近期，我们课题组受植物蒸腾现象的启发，选择了生物质材料丝瓜络作为原型，构建了一种新型的蒸发器。这个蒸发器具备竖直维管束结构和分形光吸收结构，这些特点使得它在光热海水淡化方面有着潜在的应用价值。

二．文章简介

我们的研究成果在最近发表在了Nano Energy期刊上，论文的第一作者是我们课题组的博士研究生王佳程，通讯作者为重庆大学李猛、石万元教授。在这项工作中，我们还得到了西南大学、陆军军医大学第二附属医院和弗吉尼亚理工大学相关课题组的大力支持。

三．研究内容

在光强为1 kW m^-2的照射下，我们的蒸发器可以达到每平方米2.05千克的蒸发速率和97.7%的光热转化效率。通过引入风场，我们进一步增强了蒸发区域的水蒸气传质过程，将蒸发速率提升至每平方米2.9千克。此外，我们还模拟了蒸发区域的马兰戈尼对流现象，验证了微纳结构中的表面张力梯度驱动了这种对流，从而促进了蒸发过程。

我们还通过分子尺度的数值模拟和实验探究了蒸发器维管束受限空间中羟基对水分子的活化机制，解释了蒸发器具有高蒸发速率的原因。最后，由于蒸发器在可见光下具有热效应，并与细菌之间产生静电效应，我们发现该蒸发器对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有较高的抑菌率，确保了饮用水的安全性。

1.  仿生3D蒸发器的设计及多尺度结构特征

图1. a) 植物蒸腾作用的过程示意图；b) 仿生3D蒸发体的多尺度结构特征及材料设计；c-f) 仿生3D蒸发体的光吸收部位及水输运部位的SEM图片。

2. 蒸发器内部马兰戈尼对流及蒸发性能评估

图2. a) PPy@ALF蒸发器蒸发区域马兰戈尼对流过程示意图；b) 蒸发区域流场分布图；c) ALF和PPy@ALF蒸发器的紫外-可见光-近红外吸收曲线; d)ALF和PPy@ALF蒸发表面温度随时间变化曲线; e) ALF和PPy@ALF的导热系数; f）纯水、ALF 和PPy@ALF的光热蒸发速率和对应的效率。

四．结论与展望

  在本工作中，我们提供了一种构建具有多尺度结构和低蒸发焓的光热抗菌蒸发器的仿生策略。该蒸发器选用生物质材料为原料，具有低成本，对环境友好，可实现高效太阳能海水淡化。我们通过数值模拟和实验方法探讨了维管束受限空间中羟基对水分子活化过程的影响机制，并对该蒸发器在实际海水淡化过程中对部分有机污水和高浓度盐水淡化的可行性进行了探讨，说明所设计的仿生光热蒸发器未来具有潜在的应用前景。