界面太陽蒸發技術通過捕獲太陽能并局部化吸收的熱量以實現水的蒸發，被認為是海水淡化和太陽能轉化的有前景的技術。然而，目前它受到低光熱轉化效率、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構的啟發，設計并制造了一種新型的腸道絨毛狀氮摻雜碳納米管太陽蒸汽發生器（N-CNTs SSG），其由三維（3D）分層碳納米管矩陣組成，以實現超高的太陽蒸發效率。具有徑向氮摻雜碳納米管簇的 3D 矩陣實現了超高的表面積、光熱效率和親水性，顯著增強了整個界面太陽蒸發過程。新的太陽蒸發效率高達 96.8%。此外，我們的從頭算分子動力學模擬顯示，與原始碳納米管相比，氮摻雜碳納米管在接近費米能級時表現出更多的電子態。 3D 分層碳納米管矩陣在整個太陽光譜中的卓越吸收率和高太陽高度角為在全天候和全季節條件下實現超高光熱轉換提供了巨大潛力。
Fig 1. 原位碳納米管生長制備仿生腸絨毛三維分級多孔太陽能界面蒸發器。
Fig 2. 結構和形貌表征： (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 的顯微結構比較；(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的化學成分、多孔結構和親水性表征：(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的潤濕性能；(i) 以熒光素鈉作為指示劑的水分遷移測試。
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、可見光和近紅外區的吸收光譜；(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、消光系數和光反射率。
Fig 5. 實驗室環境中的太陽能界面蒸發性能。(a) 界面蒸發實驗示意圖；(b) 和 (c) 在連續開關光照下N-CNTs SSG和CW SSG的溫度及溫度變化率；(d) N-CNTs SSG和CW SSG在不同光照強度下的平衡溫度；(e) N-CNTs SSG和CW SSG在 1.0太陽光照射下的紅外熱成像；(f) 在一個太陽光照射下，N-CNTs SSG、CW SSG和純水的質量變化； (g) 和 (h) CW SSG和N-CNTs SSG的蒸發速率和效率；(i) N-CNTs SSG與木基SSG和非凝膠SSG的太陽能蒸發效率比較；(j) 拒鹽率測試；(k) N-CNT SSG的污水處理性能。
Fig 6. N-CNTs SSG和CW SSG的蒸發過程中的傳熱傳質分析和室外實驗。(a-d) CW SSG 和N-CNTs SSG在全域內無水（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) 戶外太陽能界面蒸發實驗示意圖；(g) N-CNTs SSG、CW SSG和純水的質量變化；(h) 和 (i) N-CNTs SSG和CW SSG的蒸發速率和蒸發效率；(j) N-CNTs SSG對太陽光全天候利用示意圖。
相關研究工作由華南理工大學Lizhi Zhang、Chuanshuai Dong研究團隊于2025年在線發表在《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
轉自《石墨烯研究》公眾號
