水和能源是現(xiàn)代社會(huì)中的稀缺資源，與國家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展息息相關(guān)。許多地區(qū)淡水資源的短缺和能源發(fā)電基礎(chǔ)設(shè)施的不足進(jìn)一步惡化了水和能源的供應(yīng)。太陽能驅(qū)動(dòng)的界面光熱蒸發(fā)技術(shù)被認(rèn)為是一種綠色可持續(xù)的解決方案。太陽能是驅(qū)動(dòng)水蒸氣產(chǎn)生的主要能量來源，因此研究人員開發(fā)了各種光吸收體和光捕獲結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)光熱轉(zhuǎn)換效率。然而對(duì)于大多數(shù)現(xiàn)有的太陽能水蒸發(fā)膜來說，其水蒸發(fā)速率和整體光熱轉(zhuǎn)換效率仍然受限于較低的熱能利用率。

海南大學(xué)南海海洋資源利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曹陽教授團(tuán)隊(duì)及其合作者針對(duì)這一問題，通過在木材基底上基于油菜花粉碳細(xì)胞和雙層PVDF膜構(gòu)建三層夾心光熱膜結(jié)構(gòu)，綜合優(yōu)化蒸發(fā)層水運(yùn)輸和熱管理性能，實(shí)現(xiàn)碳細(xì)胞周圍水環(huán)境和水蒸發(fā)模式調(diào)控，獲得高效光熱水蒸發(fā)膜。相關(guān)結(jié)果以“Sandwich Photo thermal Membrane with Confined Hierarchical Carbon Cells Enabling High-Efficiency Solar Steam Generation”為題，在線發(fā)表在Small（DOI：10.1002/smll.202000573）。

該論文中，研究者首先采用Cu鹽活化的方法對(duì)分級(jí)空心結(jié)構(gòu)油菜花粉進(jìn)行碳化并構(gòu)造大量孔結(jié)構(gòu)，然后在木材基底上層層組裝夾心光熱膜結(jié)構(gòu)。與石墨烯和碳納米管相比，花粉碳細(xì)胞不但成本低、制備工藝簡(jiǎn)單，而且孔結(jié)構(gòu)更加精細(xì)多樣、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好。通過夾心結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，花粉碳細(xì)胞的大空腔有利于降低蒸發(fā)層的水含量，減少熱能損耗，而其球形結(jié)構(gòu)則能拱起蒸發(fā)表面，增加有效蒸發(fā)面積。

通過水運(yùn)輸速率的控制，可調(diào)節(jié)花粉碳細(xì)胞周圍水環(huán)境進(jìn)而優(yōu)化其水蒸發(fā)模式，而光吸收層兩側(cè)的能壘又可進(jìn)一步增強(qiáng)熱能局域化作用，提高熱管理性能。所制備的光熱膜可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)1.87kgm^?2h?1的水蒸發(fā)速率。

研究者相信，此項(xiàng)研究對(duì)于分級(jí)空心結(jié)構(gòu)和生物質(zhì)碳材料在界面光熱水蒸發(fā)領(lǐng)域中的應(yīng)用具有較好的啟發(fā)作用。該論文第一作者為海南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生田程，通訊作者為南海海洋資源利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃瑋老師，涂進(jìn)春老師和曹陽老師。論文得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、海南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目，海南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。