通讯作者：杨坤教授 王娟研究员
第一作者：张梦雪
一单位：浙江大学环资学院
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202402583
太阳能驱动的界面蒸发技术（SISG），是利用可再生的太阳能从海水或高盐废水中生成清洁水，被视为缓解淡水资源短缺最有前景的技术之一。水的蒸发速率是该技术的效率的直接体现。传统的2D太阳能蒸发器，即使实现了100%的太阳能到热能的转化，最高的蒸发速率也仅有1.47 kg m-2 h-1。而3D太阳能蒸发器在利用太阳能的基础上，额外增加了环境热能和风能的获取，因而可以显著提高水的蒸发速率。对于3D太阳能蒸发器，水的蒸发速率主要取决于水的纵向传输高度。现报道的，最高的水传输高度和蒸发速率分别为15 cm和15.4 kg m-2 h-1。
我院杨坤教授课题组提出模拟粘土土壤毛细孔结构来制备3D太阳能蒸发器的方式，即在天然的巴尔沙木表面涂覆一层氢氧化钾活性炭（KAC）粉末，来提高3D太阳能蒸发器的纵向水传输高度。所采用的KAC粉末比表面积高达3315 m2 g-1，平均孔半径为2.67 nm（远小于粘土的40-200 nm的平均孔半径），以及具有很好的亲水性（表面氧含量高达18.3%）。所制备的KAC涂覆的木基蒸发器实现了水的纵向传输高度高达32 cm和蒸发速率高达25.3 kg m-2 h-1，高于文献报道的最高水平。该研究所展示的水的纵向传输策略有望激发具有特殊毛细管力的材料/结构的发展，并为解决全球淡水资源短缺的挑战具有潜在意义。
图1. KAC涂覆的木基蒸发器的纵向水传输的示意图
如图2a所示，在没有太阳光照射和无风的条件下，KAC涂覆的木基蒸发器水的传输高度为32 cm，是天然的巴尔沙木蒸发器（4 cm）的8倍。即使在1 kW m-2的模拟光照和1 m s-1的风速条件下，KAC涂覆的木基蒸发器仍然能保持水的传输高度为32 cm（图2b）。在1 kW m-2的模拟光照和0 m s-1的风速条件下，KAC涂覆的木基蒸发器的蒸发速率为25.3 kg m-2 h-1，是天然巴尔沙木蒸发器（3.72 kg m-2 h-1）的6.8倍，并且随着风速的增加，加速了水蒸气的扩散，蒸发速率也得到了显著的提高（图2c）。
图2. KAC涂覆的木基蒸发器和天然巴尔沙木蒸发器的在不同光照和风速下的水传输高度（a, b）和蒸发速率（c）对比
KAC涂覆的木基蒸发器的高蒸发速率可以归于两个因素。首先，KAC具有优异的太阳能吸收效率，在200至2500 nm的宽太阳光谱范围内吸收率可达95%，而天然木材的效率仅为41.65%（图3a）。其次， KAC涂覆的木基蒸发器的水的传输高度是天然的巴尔沙木蒸发器的8倍，并且不同高度（0.001、12、15、18和32 cm）的KAC涂覆的木质蒸发器的水蒸发速率与水输送高度之间存在明显的线性关系（图3b），意味着蒸发器可用于水的蒸发的暴露面积更大，从而更有利于增加反射的太阳能和环境热能的获取。
图3. KAC涂覆的木基蒸发器和天然巴尔沙木蒸发器的太阳吸收光谱图对比（a）以及KAC涂覆的木基蒸发器的蒸发速率与不同水传输高度的关系（b）
KAC涂层是KAC涂覆的木基蒸发器实现优异的水传输性能的主导因素（图4）。依据Jurin定律，蒸发器具有较小的水传输通道和亲水性表面，可以通过毛细作用将水提升到更高的高度。氮气吸附法和压汞法分别测定的KAC涂层颗粒的平均孔半径为1.34 nm和36.7 nm（图5a 和5b），表明建立了更小的水传输通道，从而有利于KAC颗粒内的快速毛细水凝结。而KAC颗粒堆积形成的孔隙通道，通过X射线计算机断层扫描和扫描电镜估测的大约为40 μm（图5c和5d），可以作为“水库”收集积聚的毛细水来进一步促进KAC颗粒的内部毛细水凝结，从而提高了KAC涂层整体的输水能力。此外，KAC具有高度的亲水性，其氧含量高达16.98%，并且含有丰富的含氧官能团，如C-OH、C=O和H2O。通过热退火的方式降低了KAC表面的亲水的含氧官能团含量，命名为KAC-R1和KAC-R2，并维持了KAC的孔隙结构、形貌和光吸收基本不变。与原始的KAC涂覆的木基蒸发器相比，KAC-R1和KAC-R2涂覆的木基蒸发器的水输送高度和蒸发速率均降低（图6a-c），表明了KAC表面的亲水官能团在决定KAC输水高度和蒸发速率中的关键作用。
图4. 在天然巴尔沙木表面的一侧涂覆KAC所制备的蒸发器的照片（a）和相应的水传输变化图像（b）
图5. 通过氮气吸附仪（a），压汞仪（b），X射线计算机断层扫描仪（c）和扫描电镜（d）的表征方法分析了天然巴尔沙木表面的KAC涂层的全孔径分布
图6. KAC、KAC-R1和KAC-R2涂覆的木基蒸发器的水传输高度（a）、表面C-OH官能团含量（b）和蒸发速率（c）对比