《AFM》：仿龟背竹蒸发器，在弱光照条件下实现高效水蒸发

来源：材料科学前沿

同济大学物理科学与工程学院纳米材料课题组通过对碳气凝胶的不断研究，发现其具有一些特殊的性质，例如与角度无关的、宽波段的强烈的光吸收（ACS Nano, 2016, 10, 9123-9128），双负特性 (Carbon, 2018, 129, 598-606)，本征的负的电阻温度系数和宽波段（从紫外到微波）的响应（Carbon, 2020, 161, 590-598），热电子耦合增强光催化效应 (MRS. Comm. 2018, 8, 521-526)和光热转换（ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 42057-42065），丰富的孔结构和优异的导电性用于电容去离子（Desalination, 2019,458,45-53）等。

近年来，利用太阳能和具有高效光热转换的超黑材料来加热和蒸发水，从而获得饮用水和进行海水淡化成为了研究热点。虽然有大量工作报道了具有高的能量效率和水蒸发速率的蒸发器，但是弱光条件下（倾斜入射、自然光照）蒸发器性能的衰减依然是一个巨大的挑战。近日，该课题组通过超黑材料的涂覆和剪纸技术，模仿生长在热带雨林底层的龟背竹的开窗叶片，制备出了一种可以在弱光条件下高效工作的三维仿龟背竹人工蒸发器图1. 仿龟背竹蒸发器的制备和组装。

很多植物，特别是龟背竹和其它攀缘植物，进化出一种“同源异构”性（heteroblasty）。它们成年的树叶与青少年期树叶形状不一样，呈现出分瓣、锯齿化或开窗化等现象。而如果考虑到颜色或其它形状上的区别，这种叶片在青少年和成年期不同的现象则更常见了。图2是作者在疫情期间在同济大学校园中拍摄的多种植物，都能观察到heteroblasty现象。Muir等人从宏观上讨论过龟背竹为什么长出“瑞士奶酪洞洞”的问题，但是目前还没有研究从微观上给出解释。该研究设计的仿龟背竹光热蒸发器在正入射条件下具有高达2.30 kg m-2 h-1的蒸发速率。有趣的是，该蒸发器在倾斜入射条件下（0-75˚）的蒸发速率分别是无开窗结构的三维蒸发器和二维蒸发器的1.08-1.26和1.34-2.78倍。该蒸发器在弱光条件下表现出的卓越性能可以归因于其巨大的蒸发面积、由于开窗术导致的优良的光热管理能力。同时，该蒸发器表现出的性能主要依赖于仿龟背竹的三维结构设计。因此，该蒸发器的设计被证明对包括聚吡咯、炭黑、碳气凝胶、黑色墨水等常见的光吸收材料均有效。本研究结果可以促进人们对生长在雨林底部的龟背竹的特殊现象和行为的理解。图2 同济大学校园内多种常见植物叶片在成年期和青少年期形态或颜色不一样的现象

图3. 超黑材料的光热性能及二维蒸发器在正入射条件下的水蒸发性能。（a）材料的吸收光谱；（b）材料的光热转换性能；（c）设备示意图；（d）涂覆不同光热材料的二维蒸发器的水蒸发性能；（e）蒸发器的温度变化曲线；（f）蒸发器的红外热图。

图4.不同蒸发器在正入射条件下的性能。（b）不同叶片层数对蒸发速率的影响；（c）蒸发器在1sun光照强度照射下的红外图像；（d）不同光吸收材料对蒸发器性能的影响；（e）蒸发器的循环稳定性。

图5. 蒸发器在弱光照射条件下的性能。（a）入射角度对蒸发器性能的影响；（b）蒸发器在不同的入射角度下的红外图像。（c）蒸发器在斑驳光照下的性能；（d和e）蒸发器在室外真实环境中的性能。