可增強太陽能蒸發器效能的纖維素基材料研究進展

胡娜 徐永建 任光榮 王建

摘要：淡水資源緊缺是人類面臨的最嚴峻的問題之一，利用太陽能蒸發器獲取淡水被認為是緩解水資源緊缺的有效手段。纖維素基材料具有良好的生物相容性、可再生性和可持續性，可發展其在太陽能蒸發器領域的應用。本文主要介紹了近幾年纖維素基氣凝膠、纖維素紙和原生態植物作為太陽能蒸發器基材的研究進展，并對其應用前景進行了討論。

關鍵詞：太陽能蒸發器;纖維素;氣凝膠;原生態植物

中圖分類號：TS71?? 文獻標識碼：A??? DOI：10.11980/j. issn.0254-508X.2021.12.015

Advanced Research Progress in Cellulose-based Materials Enhancing the Efficiency of Solar Steam Generation

HU Na1?? XU Yongjian1，*?? REN Guangrong2?? WANG Jian1

（1. College ofBioresources Chemical and Materials Engineering，Shaanxi Province Key Lab ofPapermaking Technology and Specialty PaperDevelopment，National Demonstration Centerfor Experimental Light Chemistry Engineering Education，Key Lab ofPaper Based FunvtionalMaterials of China National Light Industry，Shaanxi University of Science & Technology，Xian，Shaanxi Province，710021;2. Dongguan Jintian Paper Co.，Ltd.，Dongguan，Guangdong Province，523052）

（*E-mail ：xuyongjian@sust. edu. cn）

Abstract： Fresh water scarcity is one of the most threatening issues for sustainable development . Solar steam generation，which harnesses the abundant sunlight，has been recognized as a sustainable approach to harvest fresh water . Cellulose-based materials，owing to their bio? compatibility，renewability and sustainability，are highly attractive for realizing solar steam generators . Research progress of cellulose-based aerogels，paper and native plants as substrates for solar evaporators is reviewed，and the development prospect is also discussed .

Key words ：solar steam generation;cellulose;aerogel;native plants

近年來，淡水資源緊缺已經成為人類面臨的最嚴重的危機之一，海水淡化技術被認為是緩解淡水資源緊缺的有效手段[1-3]。太陽能海水淡化技術可以利用綠色清潔、豐富可持續的太陽能獲得淡水，太陽能蒸發器是能夠實現利用太陽能分離水和雜質一種裝置，是目前的研究熱點[4-7]。纖維素是最豐富的天然高分子化合物，主要來源于陸生植物，還有一些來源于海洋生物和細菌菌落等，是一種取之不盡、用之不竭的可再生資源[8-10]。纖維素具有良好的親水性和極低的熱導率，作為太陽能蒸發器基材的纖維素基材料可為水的運輸提供足夠的親水性和通道，同時具有顯著的隔熱作用，使太陽能轉化的熱能集中在蒸發面，有利于水的蒸發。因此這類材料在太陽能蒸發器領域得到了廣泛應用[7， 11-13]。以纖維素為原材料，制備具有納米/微孔結構材料，進一步改善提高水運輸能力，并且多孔結構內部孔隙可以增加光反射和散射從而增強光熱轉化材料的光吸收性能[14-15]。此外，某些天然纖維素本身具有連接的多孔結構，可以提供良好的水運輸，使其成為太陽能蒸發器的有效支撐基質[16-17]。綜上所述，纖維素材料的這些物理化學性質和結構特征，使其成為太陽能蒸發器水運輸基質的理想選擇。本文綜述了纖維素氣凝膠、纖維素紙（膜）、原生態植物等在太陽能蒸發器領域的應用和研究進展。

1太陽能蒸發器

太陽能蒸發器主要依靠新型的光熱轉化材料和結構設計來實現較高的光熱轉化效率，如圖1所示，主要存在以下3種途徑[6]：①太陽能吸收體在體相水底部，通過吸收太陽能并將太陽能轉化為熱能來加熱體相水（即整體水），從而使水蒸發[18];②太陽能吸收體分散在體相水中，將入射的太陽光轉化成熱能，加熱體相水[19];③太陽能吸收體在汽-熱加熱界面的水蒸發，在汽-熱界面處用于加熱蒸發水（即輸送至蒸發層的體相水）[20]。

界面加熱的太陽能蒸發器具有加熱成本低、設計簡單、響應速度快、效率高等特點，主要通過太陽能吸收體將太陽能轉化為熱能;同時，通過水通道到達吸收體表面的蒸發水吸收熱量產生水蒸氣[21-22]。太陽能吸收和蒸汽產生都局限在汽-液界面，可以減少熱量向體相水傳導，避免熱損失;且太陽能吸收體的溫度較低，可以減少吸收體表面的熱輻射和熱對流損失。界面太陽能蒸發器蒸發效率的主要影響因素包括寬頻率的光吸收、熱管理、水運輸和水蒸發等[23-25]。光吸收體為界面太陽能蒸發器提供源源不斷的熱量，是其核心部件;降低材料的熱導率對材料表面的熱輻射和熱對流等進行熱管理，自身通道或者復合外部材料通道的毛細管作用將體相水連續不斷的運輸到氣液界面，實現水運輸和水蒸發。近年來學者們聚焦新型光熱轉化材料的開發以及光熱轉化結構調控研究，實現了寬頻的光吸收、高效的光熱轉化和良好的潤濕性能等目的，促進了界面太陽能蒸發器的良好發展前景。界面太陽能蒸發器的蒸發效率已高達90%左右[26-28]。

2纖維素基材料在太陽能蒸發器中的應用

2.1纖維素基氣凝膠

氣凝膠具有結構多孔、導熱系數低、比表面積高、密度低以及親水性易調節等特點，這引起了研究者的極大關注[29-30];纖維素氣凝膠是一種具有廣泛應用前景的太陽能蒸發器材料。目前制備纖維素氣凝膠的主要有細菌纖維素和纖維素納米纖維。

2.1.1細菌纖維素

細菌纖維素（ BC）具有力學性能好、比表面積大、孔隙率高等優點，且 BC 的合成過程具有可調控性，光熱轉化材料可以在細菌原位生長過程中和 BC形成物理交聯，因此，BC作為太陽能蒸發器的基質已被廣泛研究[31-33]。

Jiang 等人[32]通過在 BC合成過程中加入氧化石墨烯（ rGO）薄片實現原位生長制得雙層復合生物質膜，用于太陽能蒸發器，如圖2（a）所示。雙層復合生物質膜具有良好的結構穩定性，優異的光吸收能力和水運輸能力，可以實現高效的光熱轉化和水蒸發。同時，? BC 還可以負載氧化石墨烯（ GO）、多巴胺（ PDA）、 MoS2、碳納米管（ CNTs）等光熱轉化材料。 Jiang 等人[33]通過在 BC水凝膠生成過程中加入多巴胺（ PDA）顆粒制備了雙層 BC/PDA 太陽能蒸發器，見圖2（b）。雙層 BC/PDA 氣凝膠具有良好的光吸收、光熱轉化、熱隔離和水運輸性能，在1個太陽光照強度下蒸發效率可達78%。

Guan 等人[34]開發了一種基于 BC 納米復合材料的高效仿生多層結構太陽能蒸汽發生器（ HSSG）。如圖2（c）所示，HSSG 的分層結構包含3個具有不同功能的連續層，包括光吸收層（ CNTs 與 BC 復合層）、隔熱層（玻璃微珠與 BC 復合層）以及支撐輸水層（木質基材層）。在 HSSG仿生結構設計和納米網絡中，BC 水凝膠的三維纖維素納米纖維網絡顯著降低了蒸發能耗并加速汽化，在1個太陽光照強度下，蒸發速率和效率分別可達2.9 kg/（m2·h）和80%。

BC氣凝膠可以通過簡單的生物合成獲得，而且光熱材料可以通過原位生長穩定的負載在 BC上，使其具有良好的光熱效應。因此，BC作為太陽能蒸發器的基質具有良好的應用前景。

2.1.2纖維素納米纖絲

纖維素納米纖絲（ CNF）具有長徑比高、比表面積大、密度低、可生物降解和易于功能化等特點， CNF 氣凝膠在太陽能蒸發器領域的應用受到學者們的廣泛關注[35-37]。

2017年首次報道了 CNF 在太陽能蒸發器領域的應用，Jiang 等人[38]在 CNF 氣凝膠上沉積 CNTs 后得到雙層 CNF/CNTs 基太陽能蒸發器，如圖2（d）所示。該雙層太陽能蒸發器的密度低，僅0.0096 g/cm3，可以漂浮在水-空氣界面處實現界面太陽能水蒸發;CNTs 光吸收層的光吸收率達97.5%;高孔隙結構的 CNF 氣凝膠導熱系數僅為0.06 W/（m ·K ），可以減少向體相水傳遞的熱量，避免熱損失。在1個太陽光照強度下，? CNF/CNTs 基太陽能蒸發器的蒸發效率達到76.3%。

Hu 等人[39]將六甲基二硅烷改性的 SiO2疏水涂層噴涂在定向冷凍的親水性 CNF/CNT 雜化氣凝膠表面，得到了具有一面疏水一面親水的 Janus 太陽能蒸發器，如圖2（e）所示。Janus 結構的不對稱潤濕性實現了太陽能蒸發器在水面的自漂浮，疏水層保證了良好的熱隔離性能，親水層保證了快速連續的水供應。定向冷凍冰模板法制備的氣凝膠內部具有低曲折度的孔隙結構，使 Janus 太陽能蒸發器在運行過程中可以將鹽粒子迅速排出，避免鹽結晶問題，保證太陽能蒸發器的長期穩定運行。在高濃度鹽水（質量分數12%）中， Janus 太陽能蒸發器也具備優異的排鹽能力和長期穩定性，適用于高鹽廢水的處理。

纖維素氣凝膠的低密度、高親水性、易于功能化且結構可控等特點，為太陽能蒸發器提供了新的設計思路。

2.2? 纖維素紙（膜）

纖維素紙具有微孔結構、親水性、機械強度高、柔韌性好、導熱系數低、價格低等優點，可以作為太陽能蒸發器的基材[40-42]。纖維素紙主要作為光吸收層或者水運輸通道來提高太陽能蒸發器的能效。

2.2.1? 紙（膜）基光吸收層

紙可以通過簡單的碳化形成碳化膜用于太陽能蒸發器。Lin 等人[43]將商品化的纖維素纖維無塵紙、纖維素紙、纖維素纖維無塵布等商用纖維產品進行碳化后得到碳化膜（ CM ）太陽能蒸發器，具有良好的光吸收性能、隔熱性能和多孔結構。尤其碳化纖維素紙（ CCP ）表現出了最佳的性能，具有光吸收率高（92.2%）、導熱系數低（0.031 W/（m ·K ））和水分輸送快等的特點，在1個太陽光照強度下，水蒸發速率和效率分別為0.959 kg/（m2·h）和65.8% （見表1）。 Chen 等人[44]將碳化面巾紙用于太陽能蒸發器（見表1），碳化面巾紙具有復雜的三維結構和超親水性，并可以在水面上自漂浮，實現界面太陽能水蒸發。碳化面巾紙具有良好的穩定性，在3個太陽光照強度下可實現95%的能量轉化效率。

除了進行碳化，紙還可以作為支撐層來負載光熱轉化材料，如金納米顆粒、氧化石墨烯、炭黑、碳粒子、聚吡咯等，實現高效太陽能水蒸發。Liu 等人[45]以纖維素纖維無塵紙作為金納米粒子（ AuNP ）薄膜的支撐層，合成了無塵紙基 AuNP 薄膜（ PGF ）作為太陽能蒸發器。空氣紙表面的粗糙結構可以多次散射太陽光保證高效光吸收;紙的多孔結構和高比表面積可以保證充足迅速的水供應和水蒸發面積;紙的低導熱系數可以限制熱擴散、減少熱損失。因此，在1個太陽光照強度下，? PGF 的蒸發效率可達77.8%（4.5 kW/m2），遠高于純 AuNP 膜。Liu 等人[46]將碳黑涂層紙（ CP ）附著在聚苯乙烯泡沫（ EPS ）上制備了 CP-foam 太陽能蒸發器。CP 優異的光吸收性能和水運輸能力，以及 EPS 良好的熱隔離性能使得 CP-foam 在1個太陽光照強度下可以實現88%的能量轉化效率（見表1）。Seunghyun等人[47]利用紙張的柔韌性和可折疊性開發了一種可展開的、Miura-ori的折紙結構的3D 太陽能蒸發器，能夠有效地恢復輻射和對流的熱量損失，并通過周期性的凹面模式捕獲太陽能。3D 折紙可以進行大量的折疊和展開循環，且不影響太陽能蒸發效率，經過高度折疊后的3D 太陽能蒸發器，在1個太陽光照強度下產生了接近100%的能量轉化效率（見表1）。

碳化紙（膜）的低成本、可回收性和高效蒸發等性能;紙（膜）作為光熱轉化材料的支撐層，具有可重復使用、長期穩定性、便于攜帶、可折疊等優點。這些優點使其在太陽能蒸發器領域具有良好的應用前景。

2.2.2? 紙（膜）基水通道

纖維素紙的親水性可以提供毛細管力將水供應給吸收體，可以保證有效的水運輸，確保充足的水分蒸發[48];PS 泡沫的低熱導率則可以避免吸收體的熱量向體相水擴散。Li 等人[49-50]制備了光吸收率高達94%的 GO 薄膜，并且將 GO 薄膜、紙以及 PS 泡沫作為元素設計了2D 水通道結構太陽能蒸發器和3D 空心錐形結構太陽能蒸發器。從結構角度講，2D 結構太陽能蒸發器是將親水的纖維素紙包裹在 PS 泡沫表面，GO 薄膜作為光吸收體鋪在水通道上實現高效水蒸發;3D 結構蒸發器則是以商業棉棒作為供水通道插入到聚苯乙烯泡沫中，棉棒兩端分別連接水體和內壁貼有親水纖維素紙的空心錐形 GO 薄膜，通過棉棒和纖維素紙的共同作用保證充足的水供應實現高效水蒸發。這兩種結構的太陽能蒸發器解決了水運輸和熱損耗的問題，實現了高效供水，避免了熱損失。與2D 結構太陽能蒸發器相比，3D 結構太陽能蒸發器可以進一步減少吸收體對環境的熱輻射和熱對流。前者在1個太陽光照強度下，能量轉化效率可達80%;后者在1個太陽光照強度下，可實現85%的能量轉化效率（見表1）。

除了纖維素紙，無塵紙也被用做有效的水通道。 Gong 等人[51-52]將無塵紙分別和煅燒后的三聚氰胺海綿（ AMS ）、球磨石墨（ BG ）和廢紙纖維素纖維（ WCF ）復合氣凝膠（ BGCAs ）相結合，設計了高效太陽能蒸發器。以無塵紙作為水通道，避免了 AMS 和 BGGAs 與體相水直接接觸，有效減少了熱損失。在1個太陽光照強度下，? AMS 和 BGGAs 分別實現了高達1.98 kg/（m2·h）和1.61 kg/（m2·h）的水蒸發速率，且光熱轉化效率都在90%以上（見表1）。

紙（膜）作為太陽能蒸發器的水通道，可以保證充足的水供應和良好的熱管理，實現高效太陽能水蒸發，為太陽能蒸發器的設計提供新的視角。

2.3? 原生態植物

天然植物具有良好的親水性和隔熱性能，有助于太陽能蒸發器的水運輸和熱隔離，對天然植物進行改性，可實現集光吸收、熱隔離和水運輸為一體的高效太陽能水蒸發[53]。目前，已經有大量研究報道了天然植物在太陽能蒸發器方面的應用。

2.3.1? 天然木材

樹木依靠內部介孔結構進行蒸騰作用，從土壤中吸收水分，并將水分從底部向頂部運輸蒸發釋放到大氣中，可以看出，樹木具有良好的水運輸能力[7， 54]。同時，木材還具備良好的可加工性和可生物降解性，因此，經常被用作太陽能蒸發器的基材。

Zhu 等人[55]受樹木蒸騰作用的啟發，將天然木材沿著管腔方向切割后，對頂部進行可控碳化，創造了獨特的雙層結構，實現了高效水蒸發。如圖3（a）所示，上層結構用于光吸收（≈99%），下層結構則是天然的水運輸通道，且木材的導熱率低可以避免熱損失。在10 kW/m2的太陽光照強度下，實現了87%的能量轉化效率。除了對木材進行碳化處理，也有研究通過表面涂層工藝來實現更高的蒸發效率，如將碳納米管、聚多巴胺、石墨、金屬納米粒子等光吸收材料涂覆在木材表面。如圖3（b）所示，Wu 等人[56]在木材表面沉積聚多巴胺（ PDA ），開發了基于木材-聚多巴胺（wood-PDA ）的太陽能蒸發器。PDA 具有良好的親水性和光吸收性能，而導熱率低的木材阻止了熱損失，實現了木材表面的熱管理。同時，低密度的木材可以在水面上自漂浮，通過毛細作用將水運輸到界面并將水層暴露在空氣中，實現迅速加熱和蒸發。因此， wood-PDA 材料在陽光照射5 s 后就可以產生蒸汽，在1個太陽光照強度下，可實現87%的蒸發效率。

基于木材優異的可加工性能，Kuang等人[57]通過對天然木材進行合理的設計人工孔道陣列，制備出具有優異的防阻塞性能的自清潔太陽能蒸發器，見圖3（c）。在水蒸發時，人工孔道和天然木材孔道之間鹽的濃度差可以促使通道間自發的鹽交換，實現蒸發器的實時自再生。這種太陽能蒸發器置于高濃度鹽溶液（質量分數20% NaCl）中，在 1個太陽光照射下，100 h 連續太陽能水蒸發實驗表明其具有優異的防污性能和高效穩定的蒸汽轉化性能（75%）。 Chao 等人[58]利用表面修飾光熱涂層的天然木材氣凝膠設計了一種“非直接接觸式”的懸掛式太陽能海水蒸發器，見圖3（d）。將可彎折的木材氣凝膠作為“連接橋”式的結構，懸掛在海水水槽之間，避免了直接接觸造成的熱損失。“連接橋”式的太陽能蒸發器在1個太陽光強度下實現了1.351 kg/（m2·h）的蒸發速率和90.89%的蒸發效率，遠高于傳統的“緊密接觸”式太陽能蒸發器。

天然木材良好的親水性、低的熱導率、可加工性等優勢，為廉價、防阻塞、可規模化的太陽能蒸發器提供了設計思路，有望實現大規模應用。

2.3.2? 農業廢棄物

農業廢棄物是重要的生物質資源和可再生資源，對農業廢棄物進行高值化利用一直是研究熱點。目前，農業廢棄物在太陽能蒸發器領域也有大量研究報道。

玉米秸稈是一種低成本的農業廢棄物，具有孔隙豐富、密度低等特點，其內部具有復雜的多孔結構，可以在高效輸水的同時保持良好的隔熱。Zhang 等人[59]對玉米秸稈進行表面碳化處理后制備了一種生物質蒸發體（見圖3（d）），其光吸收率達到了91%;導熱系數僅為0.042 W/（m ·K ），隔熱性能與聚合物泡沫等商用隔熱材料相當。因此，在 1個太陽光照強度下，玉米秸稈蒸發器的蒸汽轉化率達到了86%，高于大部分已報道的生物質蒸發器。水稻秸稈內部有獨特的毛細內腔和微納結構。Fang 等人[53]受此啟發，將水稻的葉片碳化后與細菌纖維素復合制成一張高穩定性、高機械強度的多孔光熱蒸發膜，其光吸收率達到89.4%;水稻秸稈則直接作為水通道和支撐體，組裝為1個全生物質界面太陽能蒸發器，如圖3（e）所示。在1個太陽光照強度下，水蒸發量和光熱轉化效率分別為1.27 kg/（m2·h）和75.8%。

農業廢棄物具有低成本、可生物降解和可再生等特點，將農業廢棄物用于太陽能蒸發器，不僅可以實現其高值化利用，而且為低成本、可生物降解和可規模化的太陽能蒸發器提供了新思路。

2.3.3? 其他原生態植物

除了上述原生態植物，還有農業廢棄物柚子皮[60]、可食用生物體香菇[61]、蘿卜[62]、土豆[63]、蓮蓬[64]等也可作為太陽能蒸發器的基材，這些原材料大都經過碳化后實現高效的太陽光吸收，且內部具有多孔結構可保證快速的水運輸，實現高效太陽能水蒸發。

3 結語與展望

由于來源廣、成本低、綠色可持續和優異的物理化學性能，纖維素在許多領域得到了廣泛的應用。快速的水運輸、優異的熱管理、與光熱材料易于復合、生物相容性和可再生等性能使纖維素基材料在太陽能蒸發器領域具有可觀的應用潛力。但在實際應用過程中，仍有一些突出的問題需要解決，如氣凝膠制備過程中涉及冷凍干燥等技術，其成本高，且難以規模化應用;纖維素具有可降解性，可能會導致纖維素基太陽能蒸發器的劣化，影響其使用穩定性;纖維素基太陽能蒸發器在使用過程中的防污性能也需要進一步研究，以克服鹽結晶導致的太陽能蒸發器蒸發效率降低的瓶頸。因此，需要繼續探索和優化太陽能蒸發器的性能、結構和系統設計，以期實現規模化應用。

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（責任編輯：董鳳霞）