材料人公众号4月9日讯：近日，浙江农林大学沈哲红/陈浩课题组在Energy & Environmental Materials上发表题为“Simulation-Guided Design of Bamboo Leaf-Derived Carbon-Based High-Efficiency Evaporator for Solar-Driven Interface Water Evaporation”的研究论文。对于高性能低成本水蒸发器的研究和开发具有重要指导意义。第一作者：吴倚天。

亮点

1. 使用计算机光路模拟作为指导，优选高效光吸收结构用于蒸发器的制作，显著提升太阳能蒸发器效率，为高效蒸发器的设计制造提供指导思路；

2. 竹叶作为廉价生物质，产量高，但基本未产生经济价值。本研究实现了竹叶在太阳能蒸发器制作中的成功应用，有助于大幅降低蒸发器成本，同时有望实现竹叶的高附加值利用；

3. 只需将竹叶进行简单排列、碳化、水凝胶复合便可轻松制得蒸发器，该蒸发器具有大规模生产应用的潜力。

引言

太阳能界面水蒸发方法通过加热水-空气界面，将热量留存在水的蒸发位置（表面），实现了极低的热损耗和极高的太阳能利用率，是一种先进的淡水生产方法。光热转化是太阳能界面水蒸发的关键步骤，亦是其限速步骤，因此提升蒸发器的光吸收效率至关重要。

然而，为提高光吸收效率，无论是拓宽材料自身吸收光谱还是构筑多级吸光结构，当前都存在成本高、制备工艺复杂等问题。因此，如何通过简单高效方法设计和制作成本低、效率高的蒸发器，是太阳能界面水蒸发走向实际应用面临的一个巨大挑战。

内容简述

近日，浙江农林大学沈哲红/陈浩课题组以计算机模拟设计为指导，优选高效光吸收结构，以天然竹叶为原料，经排列、碳化、水凝胶复合，制备了集光吸收、光热转化和水分运输功能于一体的太阳能界面蒸发器。

该工作中，蒸发器制备方法简单，成本低廉。蒸发器通过竹叶的垂直排列、碳化以及随后的聚丙烯酰胺（PAM）改性即可制成，不需要其他的组装步骤，因此易于规模化放大生产。竹叶具有易获取、可再生、低成本的特点，可大幅降低蒸发器生产成本。

该蒸发器具有独特的结构设计。一方面，通过光线追踪模拟引导设计的垂直排列的炭结构可以扩展光路，增加吸光面积，从而达到优良的光吸收效果。另一方面，聚丙烯酰胺水凝胶在垂直片状炭之间的连续分布，可以支持高速的水分输送，缩短蒸发路径。

得益于上述特点的综合作用，该蒸发器具有极高的平均光吸收率（~97%）、良好的水分蒸发率（1.75 kg m-2h-1）、以及优异的太阳能-蒸汽转化效率（91.9%）。基于该蒸发器的设备可以在完成水分蒸发的同时，同步实现海水淡化、重金属离子去除、染料分离等功能。此外，该蒸发器适用于户外并可重复利用。

图1.（a）蒸发器PVCBL制备过程和自制蒸发装置的结构示意图；（b）蒸发装置的剖面细节图。

小结

该工作通过计算机模拟的方法，设计了高效光吸收结构，并以天然竹叶为原材料，将其碳化后与水凝胶复合，构筑了一种集光吸收、光热转化和水分运输功能为一体的高效太阳能界面水蒸发器。研究工作为高效太阳能界面水蒸发器的设计提供了创新思路，有助于解决全球淡水短缺问题。

文章链接

Yitian Wu, Rui Kong, Chaoliang Ma, Lanze Li, Yu Zheng, Yingzhuo Lu, Lulu Liang, Yajun Pang*, Qiang Wu, Zhehong Shen*, Hao Chen*. Simulation-guided design of bamboo leaf-derived carbon-based high-efficiency evaporator for solar-driven interface water evaporation.Energy Environ. Mater.2021.DOI: 10.1002/eem2.12251

详情参阅论文：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12251