界面太陽(yáng)蒸發(fā)技術(shù)通過(guò)捕獲太陽(yáng)能并局部化吸收的熱量以實(shí)現(xiàn)水的蒸發(fā)，被認(rèn)為是海水淡化和太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的有前景的技術(shù)。然而，目前它受到低光熱轉(zhuǎn)化效率、鹽分積累和可靠性差的限制。在此，我們受到人類腸道絨毛結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，設(shè)計(jì)并制造了一種新型的腸道絨毛狀氮摻雜碳納米管太陽(yáng)蒸汽發(fā)生器（N-CNTs SSG），其由三維（3D）分層碳納米管矩陣組成，以實(shí)現(xiàn)超高的太陽(yáng)蒸發(fā)效率。具有徑向氮摻雜碳納米管簇的 3D 矩陣實(shí)現(xiàn)了超高的表面積、光熱效率和親水性，顯著增強(qiáng)了整個(gè)界面太陽(yáng)蒸發(fā)過(guò)程。新的太陽(yáng)蒸發(fā)效率高達(dá) 96.8%。此外，我們的從頭算分子動(dòng)力學(xué)模擬顯示，與原始碳納米管相比，氮摻雜碳納米管在接近費(fèi)米能級(jí)時(shí)表現(xiàn)出更多的電子態(tài)。 3D 分層碳納米管矩陣在整個(gè)太陽(yáng)光譜中的卓越吸收率和高太陽(yáng)高度角為在全天候和全季節(jié)條件下實(shí)現(xiàn)超高光熱轉(zhuǎn)換提供了巨大潛力。
Fig 1. 原位碳納米管生長(zhǎng)制備仿生腸絨毛三維分級(jí)多孔太陽(yáng)能界面蒸發(fā)器。
Fig 2. 結(jié)構(gòu)和形貌表征： (a) CW SSG 的SEM圖；(b) 腸絨毛狀 N-CNTs SSG 的SEM圖（俯視圖和橫截面圖）；(c) CW SSG 和小腸絨毛狀 N-CNTs SSG 的顯微結(jié)構(gòu)比較；(d) N-CNTs 的 TEM 和 HRTEM 圖像；(e)和(f)不添加NaOH溶液和添加NaOH溶液的N-CNTs基材的SEM圖。
Fig 3. 腸絨毛狀N-CNTs SSG和CW SSG的化學(xué)成分、多孔結(jié)構(gòu)和親水性表征：(a) N-CNTs SSG和CW SSG的拉曼光譜；(b) XRD表征；(c-e) N 1s, C 1s, Co 2p元素的高分辨率XPS光譜；(f) N-CNTs SSG的N2吸附-解吸等溫線及比表面積；(g) N-CNTs SSG和CW SSG的孔徑分布；(h) BW、DW、CW和N-CNTs SSG的潤(rùn)濕性能；(i) 以熒光素鈉作為指示劑的水分遷移測(cè)試。
Fig 4. 吸收光譜與DFT分析：(a) CW SSG和N-CNTs SSG的吸收光譜和透射光譜；(b) CW SSG和 N-CNTs SSG在紫外、可見(jiàn)光和近紅外區(qū)的吸收光譜；(c) 和(d) 扶手椅型碳納米管（4, 4）與鋸齒型碳納米管（8, 0）的普通和N摻雜幾何構(gòu)型；(e) 和 (g)普通扶手椅型碳納米管的電子能帶圖和DOS圖；(f) 和( h) N摻雜碳納米管的電子能帶圖和DOS圖；(i) N摻雜碳納米管和普通碳納米管的虛部；(j)-(l) 普通扶手椅型碳納米管和N摻雜碳納米管的吸收系數(shù)、消光系數(shù)和光反射率。
Fig 5. 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的太陽(yáng)能界面蒸發(fā)性能。(a) 界面蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)示意圖；(b) 和 (c) 在連續(xù)開(kāi)關(guān)光照下N-CNTs SSG和CW SSG的溫度及溫度變化率；(d) N-CNTs SSG和CW SSG在不同光照強(qiáng)度下的平衡溫度；(e) N-CNTs SSG和CW SSG在 1.0太陽(yáng)光照射下的紅外熱成像；(f) 在一個(gè)太陽(yáng)光照射下，N-CNTs SSG、CW SSG和純水的質(zhì)量變化； (g) 和 (h) CW SSG和N-CNTs SSG的蒸發(fā)速率和效率；(i) N-CNTs SSG與木基SSG和非凝膠SSG的太陽(yáng)能蒸發(fā)效率比較；(j) 拒鹽率測(cè)試；(k) N-CNT SSG的污水處理性能。
Fig 6. N-CNTs SSG和CW SSG的蒸發(fā)過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)分析和室外實(shí)驗(yàn)。(a-d) CW SSG 和N-CNTs SSG在全域內(nèi)無(wú)水（a, b）和有水（c, d）工況的溫度變化；(e) N-CNTs SSG 的頂面溫度變化；(f) 戶外太陽(yáng)能界面蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)示意圖；(g) N-CNTs SSG、CW SSG和純水的質(zhì)量變化；(h) 和 (i) N-CNTs SSG和CW SSG的蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率；(j) N-CNTs SSG對(duì)太陽(yáng)光全天候利用示意圖。
相關(guān)研究工作由華南理工大學(xué)Lizhi Zhang、Chuanshuai Dong研究團(tuán)隊(duì)于2025年在線發(fā)表在《Carbon Energy》期刊上，Nature-inspired 3D hierarchical carbon nanotube matrices enable extraordinary solar steam generation，原文鏈接：https://doi.org/10.1002/cey2.655
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
