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水和能源是現(xiàn)代社會中的稀缺資源，與國家經(jīng)濟和社會發(fā)展息息相關(guān)。許多地區(qū)淡水資源的短缺和能源發(fā)電基礎(chǔ)設(shè)施的不足進一步惡化了水和能源的供應(yīng)。太陽能驅(qū)動的界面光熱蒸發(fā)技術(shù)被認為是一種綠色可持續(xù)的解決方案。太陽能是驅(qū)動水蒸氣產(chǎn)生的主要能量來源，因此研究人員開發(fā)了各種光吸收體和光捕獲結(jié)構(gòu)以增強光熱轉(zhuǎn)換效率。然而對于大多數(shù)現(xiàn)有的太陽能水蒸發(fā)膜來說，其水蒸發(fā)速率和整體光熱轉(zhuǎn)換效率仍然受限于較低的熱能利用率。

海南大學(xué)南海海洋資源利用國家重點實驗室曹陽教授團隊及其合作者針對這一問題，通過在木材基底上基于油菜花粉碳細胞和雙層PVDF膜構(gòu)建三層夾心光熱膜結(jié)構(gòu)，綜合優(yōu)化蒸發(fā)層水運輸和熱管理性能，實現(xiàn)碳細胞周圍水環(huán)境和水蒸發(fā)模式調(diào)控，獲得高效光熱水蒸發(fā)膜。相關(guān)結(jié)果以“Sandwich Photo thermal Membrane with Confined Hierarchical Carbon Cells Enabling High-Efficiency Solar Steam Generation”為題，在線發(fā)表在Small（DOI：10.1002/smll.202000573）。

該論文中，研究者首先采用Cu鹽活化的方法對分級空心結(jié)構(gòu)油菜花粉進行碳化并構(gòu)造大量孔結(jié)構(gòu)，然后在木材基底上層層組裝夾心光熱膜結(jié)構(gòu)。與石墨烯和碳納米管相比，花粉碳細胞不但成本低、制備工藝簡單，而且孔結(jié)構(gòu)更加精細多樣、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好。通過夾心結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，花粉碳細胞的大空腔有利于降低蒸發(fā)層的水含量，減少熱能損耗，而其球形結(jié)構(gòu)則能拱起蒸發(fā)表面，增加有效蒸發(fā)面積。

通過水運輸速率的控制，可調(diào)節(jié)花粉碳細胞周圍水環(huán)境進而優(yōu)化其水蒸發(fā)模式，而光吸收層兩側(cè)的能壘又可進一步增強熱能局域化作用，提高熱管理性能。所制備的光熱膜可以實現(xiàn)高達1.87kgm^?2h?1的水蒸發(fā)速率。

研究者相信，此項研究對于分級空心結(jié)構(gòu)和生物質(zhì)碳材料在界面光熱水蒸發(fā)領(lǐng)域中的應(yīng)用具有較好的啟發(fā)作用。該論文第一作者為海南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生田程，通訊作者為南海海洋資源利用國家重點實驗室黃瑋老師，涂進春老師和曹陽老師。論文得到國家自然科學(xué)基金項目、海南省自然科學(xué)基金項目，海南省重點研發(fā)計劃等項目的支持。