南京林業(yè)大學段改改副教授、蘇州科技大學張春媚老師與四川大學李乙文教授在近來纖維素基界面太陽能蒸發(fā)器的研究基礎上，近期在Advanced Functional Materials上發(fā)表了題為“Cellulose-based Interfacial Solar Evaporators: Structural Regulation and Performance Manipulation”的綜述文章。這篇綜述文章系統(tǒng)性地梳理，總結(jié)了纖維素基界面太陽能蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)調(diào)控帶來的性能調(diào)整，在展現(xiàn)纖維素基蒸發(fā)器性能改善策略的同時為其應對未來挑戰(zhàn)，拓展應用前景提供了新的方向和思路。
圖1 纖維素界面蒸發(fā)器的性能改進方向與結(jié)構(gòu)調(diào)控策略
界面太陽能蒸發(fā)器對于太陽能的直接利用使其成為了海水淡化中最具前景的方案。與此同時，纖維素獨特的分子結(jié)構(gòu)使其具有很多優(yōu)良的性能，如優(yōu)良的親水性，分子鏈軸向的高機械強度、剛度和模量，極大的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以及高反應活性，使得纖維素基材充分滿足了界面太陽能蒸發(fā)器的要求（圖2）。其中根據(jù)纖維素在基材中的利用方式，纖維素基蒸發(fā)器又能夠分為兩類：自上而下利用的木質(zhì)基蒸發(fā)器，自下而上組裝的纖維素復合基材蒸發(fā)器。根據(jù)不同基材的特性，本文系統(tǒng)的總結(jié)了纖維素基蒸發(fā)器的制備方案，蒸發(fā)性能的改進策略以及應用功能的附加，并以此為后續(xù)的纖維素基蒸發(fā)器的構(gòu)建，改進提供了參考。
圖2. 木質(zhì)材料中的纖維素結(jié)構(gòu)
首先，木材中生長方向的定向通道，使其在優(yōu)異的定向輸水性能外，還利用各向異性的導熱性能實現(xiàn)了良好的隔熱，很好地滿足了界面太陽能蒸發(fā)器基材所需的性能。同時木質(zhì)基蒸發(fā)器由于木材中層次分明的多孔結(jié)構(gòu)以及通過紋孔形成的內(nèi)部三維（3D）網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，具備了較為出色的耐鹽性。在這一獨特結(jié)構(gòu)的基礎上，不斷地有結(jié)構(gòu)改善策略被提出來進一步增強木質(zhì)基蒸發(fā)器的耐鹽性能，包括了脫木素處理，人工孔道陣列，非對稱潤濕性結(jié)構(gòu)，T型結(jié)構(gòu)等等（圖3）。
圖3. 木質(zhì)基蒸發(fā)器的耐鹽性改進結(jié)構(gòu)
其次，纖維素復合基材采用的自下而上的多樣制備方案使得相應的蒸發(fā)器擁有了更為豐富的性能改進策略（圖4）。在蒸發(fā)器外部結(jié)構(gòu)的調(diào)整之余，纖維素復合基材提供了更多樣化的蒸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)控方案，例如納米纖維素氣凝膠制備過程中對孔道的直徑或曲度進行調(diào)控，3D打印時構(gòu)建有序，規(guī)則的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。與木質(zhì)基蒸發(fā)器的剛性規(guī)則結(jié)構(gòu)相對，纖維素復合材料基蒸發(fā)器擁有了更高的結(jié)構(gòu)創(chuàng)造自由度，因此一系列靈活的嶄新耐鹽性結(jié)構(gòu)得以實現(xiàn)：自動觸發(fā)的球狀自清潔蒸發(fā)器，引入虹吸-下降模式的錐狀蒸發(fā)器，吸水燭芯鹽分擴散結(jié)構(gòu)，毛細作用或咖啡環(huán)效應帶來的遷移結(jié)晶裝置（MCD）。
圖4. 纖維素復合材料基蒸發(fā)器的耐鹽性改進結(jié)構(gòu)
值得注意的是，纖維素復合材料基材在帶來豐富耐鹽性改進策略的同時，還提供了多種提升蒸發(fā)器蒸發(fā)速度的手段（圖5）。具備大面積側(cè)面的柱狀，杯狀，翅片，球狀等結(jié)構(gòu)在側(cè)壁通過冷蒸發(fā)額外攝取環(huán)境能量，提升蒸發(fā)速度的同時，還能夠通過回收蒸發(fā)潛熱來提高蒸發(fā)器的太陽能利用效率。在此之外，2D水路帶來的低熱量損耗，表面潤濕性調(diào)整實現(xiàn)的熱量利用調(diào)整，蒸發(fā)器內(nèi)部親水性、孔道結(jié)構(gòu)調(diào)控完成的內(nèi)部水體的蒸發(fā)焓降低都極大地促進了纖維素復合材料基蒸發(fā)器的蒸發(fā)速度的提高。
圖5. 冷蒸發(fā)實現(xiàn)的纖維素復合材料基蒸發(fā)器的高蒸發(fā)速度
在滿足光熱性能，蒸發(fā)性能需求的基礎上，現(xiàn)實應用的附加需求更多地被納入考慮，例如對于復雜水體的適應能力（有機染料，油污等），蒸發(fā)過程的發(fā)電等等。總結(jié)部分，結(jié)合前文討論過程中的列表數(shù)據(jù)，纖維素基蒸發(fā)器的制備方案（光熱層構(gòu)建），蒸發(fā)性能（耐鹽性能，蒸發(fā)速度）的改進策略參考都有所提供。最后，結(jié)合最新的研究進展，纖維素基蒸發(fā)器的未來發(fā)展方向可以從以下三個方向展開：1）蒸發(fā)性能的保障，2）長期工作穩(wěn)定性的維持，3）實際應用的可行性（圖6）。
圖6. 纖維素基蒸發(fā)器的未來發(fā)展方向
文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202302351
