港中大郑庆彬等：基于液态金属/PAN复合纤维的多尺度仿生蒸发器用于高效太阳能水蒸发

研究背景

随着人口增长和环境污染的加剧，全球淡水短缺已成为数亿人面临的重大问题。因此，开发简便有效的水净化和海水淡化技术迫在眉睫。目前，包括热蒸馏、电渗析和反渗透在内的多种技术已被用于水净化和海水淡化。然而，这些技术大多依赖于不可再生的化石燃料，导致温室气体排放增加。相比之下，利用环保太阳能生产饮用水的太阳能水蒸发技术引起广泛关注。然而，传统的二维太阳能水蒸发器在水蒸发过程中受水运输和热损耗影响，蒸发速率和太阳能转化效率受到限制。因此，亟需设计和开发高性能的太阳能水蒸发器。

Multiscale Biomimetic Evaporators Based on Liquid Metal/Polyacrylonitrile Composite Fibers for Highly Efficient Solar Steam Generation

Yuxuan Sun, Dan Liu, Fei Zhang, Xiaobo Gao, Jie Xue, Qingbin Zheng*

Nano-Micro Letters (2025)17: 129

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01661-z

本文亮点

1. 受天堂鸟花茎结构的启发，本文通过湿法纺丝、组装等方法，制备了具有三维多尺度的液态金属/聚丙烯腈(LM/PAN)蒸发器。

2. 该蒸发器在一个太阳光的光照条件照射下表现出优异的太阳光水蒸发性能，LM/PAN蒸发器速率为2.66 kg m⁻² h⁻¹，太阳能转换效率高达96.5%。

3. 该蒸发器独特的分级孔道结构使其在光照下对海水、污水表现出优异的净化性能。

内容简介

太阳能水蒸发是利用太阳能生产清洁水的一种经济有效的方案。然而，如何整合有效的热管理与水输送机制，以开发高效的太阳能蒸发器，仍然是当前面临的重大挑战。受天堂鸟茎层次结构的启发，香港中文大学郑庆彬等人通过组装湿纺得到的LM/PAN纤维，制造了一种三维(3D)多尺度的LM/PAN蒸发器。LM粒子的表面等离子体共振效应与LM/PAN纤维的多孔结构相结合，使其能够实现高达90.9%的光吸收率。因此，LM/PAN蒸发器在单次太阳照射下，成功实现了2.66 kg m⁻² h⁻¹的水蒸发速率，太阳能转化效率为96.5%，并且在盐水中也达到了2.58 kg m⁻² h⁻¹的水蒸发速率。此外，LM/PAN蒸发器在海水净化方面展现了卓越的性能。在光照下进行脱盐处理后，实际海水中的Na⁺、Mg²⁺、K⁺和Ca²⁺浓度显著下降，降低了三个数量级，至7 mg/L以下。LM/PAN蒸发器具有的分层结构和多尺度设计，能够有效调节水的输送与热管理，从而实现高效的太阳能驱动蒸发，为先进的SSG系统结构设计提供了宝贵的见解。

图文导读

I LM/PAN蒸发器的设计思路与制备流程

如图1a所示，天堂鸟作为一种维管植物，其茎部进化出高效的水运输系统。茎部的多孔横截面积确保了蒸腾过程中水分的有效运输。在微观尺度上，茎部呈现出一种特殊的微结构配置，其中圆形基本组织密集排列形成海绵状结构，主要负责光合作用和储水功能。维管束组织位于基本组织内部，管胞的直径为20–40 μm，分布在导管分子周围，形成了从根部泵送水分的有效通道。此外，细胞壁的独特微结构，如纹孔和胞间连丝，使水分能够从一个组织流向另一个组织，连接根部吸水与基本组织光合作用之间的关系。受天堂鸟茎部特殊微结构的启发，本研究设计并制备了具有分级结构和高孔隙率的仿生LM/PAN蒸发器(图1a)。首先，将LM颗粒与PAN混合，然后通过湿纺法制备出如图1b所示的LM/PAN纤维。由于LM/PAN在DMF溶液中的相分离过程，所得纤维中形成了贯穿整个纤维的分级微/纳米结构通道。该微结构类似于天堂鸟茎的维管束组织，为SSG系统提供了高效的水和水蒸汽输送通道。在LM/PAN纤维的内部通道表面下，经过相分离形成了由PAN和LM颗粒复合而成的海绵结构。该海绵结构不仅增强了入射阳光的反射与折射，还有效扩大了水蒸发的表面积。同时，LM粒子强烈的等离子体效应促进了太阳光与热能之间的有效转换。此外，PAN作为LM/PAN纤维的主要骨架，具备低热导率和亲水性，这使得具海绵状结构的LM/PAN纤维能够有效减少热量损失，提升LM粒子的热能转换效率。在此基础上，采用LM/PAN涂料涂覆LM/PAN纤维并进行垂直排列，组装成仿天堂鸟茎宏观通道结构的LM/PAN蒸发器。这一设计不仅促进了水的泵送，还增强了蒸发过程中的结构稳定性。

图1. 仿生多尺度LM/PAN蒸发器的设计。a)天堂鸟茎和LM/PAN蒸发器的光学图像和示意图。b) LM/PAN蒸发器制造示意图。

II LM/PAN纤维的表征

如图2a所示，LM/PAN纤维的直径约为1 mm，呈现多孔结构。通过纵切面观察(图2b)，可以看到纤维中分布着贯通的微米级通道网络，通道宽度从约10 µm到50 µm不等，形成了类似于天堂鸟茎中管胞和导管分子的有效水分输送通道。高倍SEM图像(图2c)显示，通道壁表面呈粗糙纹理，有助于增加入射光的穿透距离并促进光的吸收。通道壁的微观结构(图2d)进一步揭示了LM/PAN纤维的分级结构，通道壁上均匀分布着大小约为1 µm的孔隙(图2e)，并形成密集排列的多孔海绵结构。LM粒子(平均粒径为0.72 µm)修饰于通道壁上。图2f-h显示，碳元素均匀分布于PAN骨架中，同时在球形结构上观察到Ga和In元素的均匀分布，验证了LM粒子成功修饰了PAN骨架。

图2. LM/PAN纤维的微观结构。SEM 图像：a) LM/PAN 纤维的横截面，b) LM/PAN 纤维的纵向截面，c) 微米通道 b)，d-e) 微米通道表面上的多孔结构。通道壁横截面的 SEM 图像 f) 和相应的元素分布图像 g-j)。

通过调整制备过程中PAN与LM之间的重量比，制备了三种不同LM与PAN重量比(1:1、2:1、3:1)的LM/PAN纤维，分别命名为LM/PAN₁₁、LM/PAN₂₁和LM/PAN₃₁。随着LM含量的增加，LM颗粒逐渐占据通道壁上的孔隙。在LM/PAN₃₁纤维中，LM颗粒密集分布于通道表面，遮蔽了原本的多孔PAN结构，导致水的输送受限。随着LM含量的增加，孔隙率的变化进一步影响比表面积。如图3a和3b所示，比表面积从PAN纤维的12.44 m²/g下降至LM/PAN₃₁纤维的7.63 m²/g，证实了通道壁上孔隙被LM颗粒占据的趋势。图3c显示，由于PAN和LM颗粒的亲水性以及垂直排列的LM/PAN纤维的强毛细管力，水滴在0.25秒内迅速被吸收。

为了进一步验证LM与PAN在LM/PAN纤维中的集成，分别进行了FTIR、XRD和XPS分析。PAN纤维和LM/PAN纤维的FTIR光谱(图3d)显示，PAN的特征峰出现在2243 cm⁻¹和1453 cm⁻¹，分别对应腈基(C≡N)和C-H键，表明引入LM粒子后，PAN的化学结构未发生显著变化。PAN纤维和LM/PAN纤维的XRD谱如图3e显示，PAN的特征峰可以在在2θ=16.1°处观察到。与PAN纤维的XRD谱相比，LM/PAN纤维在34.5°处出现了LM的特征峰，且随着LM含量的增加。通过XPS分析(图3f)，比较了PAN纤维和LM/PAN纤维的元素组成。与PAN的XPS光谱相比，LM/PAN纤维中在高结合能(1116-1145 eV)和低结合能区域(443 eV)出现了Ga 2p和In 3d的特征峰。

图3. PAN 纤维和 LM/PAN 纤维的表征。a) N2 吸附和解吸曲线。b) PAN 纤维和 LM/PAN 纤维的比表面积。c) LM/PAN₂₁ 纤维的水接触角。d) PAN 纤维和 LM/PAN 纤维的 FTIR 光谱、e) XRD 图案、f) XPS 光谱。

III LM/PAN蒸发器的表征

为了研究 LM 颗粒含量对蒸发器性能的影响，将 PAN 纤维和 LM/PAN 纤维分别组装成 SSG的PAN 蒸发器和LM/PAN蒸发器。首先，表征了PAN和LM/PAN蒸发器的吸水能力(图4a和b)。结果表明，PAN蒸发器的含水量在20秒内达到了5.8 g g⁻¹，是LM/PAN₃₁(3.2 g g⁻¹)蒸发器的1.8倍。水含量稳定后，PAN蒸发器的饱和水含量最高，达到6.5 g g⁻¹，其次依次为LM/PAN₁₁(4.9 g g⁻¹)、LM/PAN₂₁(4.1 g g⁻¹)和LM/PAN₃₁(3.5 g g⁻¹)。吸水能力下降的原因在于，随着LM含量的增加，LM/PAN纤维的孔隙率降低。如图4c所示，随着LM含量的增加，通道壁上的孔隙和海绵状结构部分被LM颗粒填充，从而导致水的输送减少。接着，为了分析PAN蒸发器和LM/PAN蒸发器的光热性能，研究了其光吸收和光热转换能力。如图4d所示，PAN蒸发器在300-2500 nm范围内的平均吸光度仅为5.1%。相比之下，加入LM颗粒后， LM/PAN蒸发器的光吸收率显著提高，且随着LM含量的增加，LM/PAN₃₁蒸发器的平均吸收率可以达到75.6%。此外，吸水后，PAN蒸发器和LM/PAN蒸发器的光吸收率进一步提高(图4e)，其中， LM/PAN₃₁蒸发器吸水后表现出高达90.9%光吸收率。为了评估光热转换能力，使用红外摄像机在1个太阳光光照条件下监测了PAN蒸发器和LM/PAN蒸发器的表面温度。如图4g和h所示，LM/PAN蒸发器的表面温度在前50秒内迅速上升至34℃以上，而PAN蒸发器的表面温度为22℃。

图4. PAN 蒸发器和 LM/PAN 蒸发器的水输送和光热性能。a) PAN 蒸发器和 LM/PAN 蒸发器中含水量随时间的变化和 b) 相对饱和水含量。c) LM/PAN 蒸发器中水输送的示意图。d) 干燥和 e) 潮湿状态下PAN 蒸发器和 LM/PAN 蒸发器的 UV-vis-NIR 光谱。f) 水润湿前后 LM/PAN 蒸发器表面阳光路径的示意图。g) 红外图像。PAN 蒸发器和 LM/PAN 蒸发器 h) 顶面温度随时间的变化和 i) 0 秒和 600 秒之间的温差。

IV LM/PAN 蒸发器的太阳能水蒸发性能

为了评估LM/PAN蒸发器的SSG性能，建立了如图5a所示的SSG实验装置。在太阳辐射条件下，LM/PAN蒸发器的水蒸发量显著高于PAN蒸发器和纯水(图5b)。此外，与PAN蒸发器和其他LM/PAN蒸发器相比，LM/PAN₂₁蒸发器在90分钟内显示出最高的水蒸发速率，为2.66 kg m⁻² h⁻¹。LM/PAN₂₁蒸发器优异的SSG性能归因于高效的水输送与卓越的光热性能的协同效应。尽管LM/PAN₃₁蒸发器表现出更高的太阳光吸收率，其孔隙率的降低导致水输送能力下降，最终导致SSG性能降低。另一方面，尽管PAN蒸发器具有较好的水输送能力，但其较低的光吸收率(5.1%)使得SSG性能表现不佳。

此外，在23ºC下进行的暗场蒸发实验中，LM/PAN₂₁蒸发器的水蒸发性能依然优于PAN蒸发器和其他LM/PAN蒸发器。根据水质量变化曲线(图5d)，PAN蒸发器的水蒸发速率为0.14 kg m⁻² h⁻¹，接近纯水的水蒸发速率(0.10 kg m⁻² h⁻¹)，而LM/PAN蒸发器的水蒸发速率显著提高，表明多孔PAN内部的LM颗粒大大增强了LM/PAN蒸发器的SSG性能。值得注意的是，LM/PAN₂₁蒸发器的水蒸发速率达到了0.23 kg m⁻² h⁻¹，明显高于PAN蒸发器和其他类型的LM/PAN蒸发器。这一现象表明，得益于分级结构和LM颗粒的引入，LM/PAN₂₁蒸发器的含水量达到了最优。

根据暗场的水蒸发速率，通过公式计算得出，PAN蒸发器内水的蒸发焓为1838.18 kJ kg⁻¹，小于纯水的蒸发焓(2439.50 kJ kg⁻¹)。同时，LM颗粒的添加进一步降低了水的蒸发焓。在所有的LM/PAN蒸发器中，LM/PAN₂₁蒸发器的蒸发焓较低，为1166.72 kJ kg⁻¹。根据计算出的蒸发焓，进一步对各个蒸发器的太阳能转换效率进行了估算。所有LM/PAN蒸发器的太阳能蒸发效率均高于PAN蒸发器(48.7%)。其中，LM/PAN₂₁蒸发器的太阳能蒸发效率为96.5%，显著优于LM/PAN₁₁蒸发器(85.1%)和LM/PAN₃₁蒸发器(84.0%)。

此外，在保持LM与PAN的重量比为2:1的情况下，通过改变湿纺针头的直径，制备了由直径为0.84、1.00和1.30 mm的LM/PAN纤维制成的LM/PAN蒸发器，分别定义为LM/PAN₈₄蒸发器、LM/PAN₁₀₀蒸发器和LM/PAN₁₃₀蒸发器。然后，研究了LM/PAN₈₄蒸发器、LM/PAN₁₀₀蒸发器和LM/PAN₁₃₀蒸发器在1个太阳辐射下的SSG性能，如图5g所示。LM/PAN₈₄蒸发器、LM/PAN₁₀₀蒸发器和LM/PAN₁₃₀蒸发器的蒸发速率分别为2.21、2.66和1.76 kg m⁻² h⁻¹。此外，在暗蒸发实验中，LM/PAN₁₀₀蒸发器的蒸发速率为0.23 kg m⁻² h⁻¹，高于LM/PAN₈₄蒸发器和LM/PAN₁₃₀蒸发器(图5h)。

通过调整LM含量和LM/PAN纤维的直径，采用1:2的LM与PAN重量比，直径为1 mm的LM/PAN纤维组装的LM/PAN蒸发器表现出显著增强的SSG性能。此外，LM/PAN蒸发器表现出优异的蒸发率(2.66 kg m⁻² h⁻¹)和蒸发效率(96.5%)，优于绝大多数之前报道的木质、气凝胶、膜和水凝胶蒸发器(图5i)。 

图 5. PAN 蒸发器和 LM/PAN 蒸发器的 SSG 性能。a) 水蒸发实验示意图。b) 一个太阳光(1 kW m⁻²)下水的质量变化(c)以及相应的水、PAN 蒸发器和 LM/PAN 蒸发器的蒸发速率。d) 黑暗条件下实验中水、PAN 蒸发器和 LM/PAN 蒸发器中水的质量损失。e) 等效蒸发焓。f) LM/PAN 蒸发器中蒸发焓降低的原理示意图。g) 在 1 个太阳光条件下和 h) 暗场实验中LM/PAN₈₄ 蒸发器、LM/PAN₁₀₀ 蒸发器和 LM/PAN₁₃₀ 蒸发器里水的质量变化。i) LM/PAN₂₁蒸发器与其他类型的蒸发器的性能比较。

V LM/PAN蒸发器的实际SSG应用

蒸发器的稳定性对于实际应用至关重要。将LM/PAN₂₁蒸发器在1个太阳光照条件下进行了10小时的连续测试。如图6a所示，在整个测试期间，蒸发率始终保持在约2.65 kg·m⁻²·h⁻¹左右，没有观察到明显的性能下降。同时在11个太阳光照条件下进行60天的长期测试后，LM/PAN₂₁蒸发器的蒸发速率略有下降，随后稳定在约2.34 kg·m⁻²·h⁻¹(图6b)。此外，如图6c所示，LM/PAN₂₁蒸发器的水蒸发率随太阳强度线性增加。即使在0.5个太阳光照条件下，LM/PAN₂₁蒸发器的水蒸发率仍达到1.57 kg·m⁻²·h⁻¹。值得注意的是，在2个太阳光照条件下，蒸发率超过5.00 kg·m⁻²·h⁻¹。

为了证明优化后的LM/PAN₂₁蒸发器在海水中的太阳能淡化能力，研究中使用三种浓度的盐水溶液，分别模拟波罗的海(8‰盐度)、世界海(35‰盐度)和死海(100‰盐度)的海水。此外，还评估了LM/PAN₂₁蒸发器在中国大梅沙海滨公园的真实海水中的水蒸发性能。如图6d和e所示，LM/PAN₂₁蒸发器在所有海水中仍表现出出色的蒸发速率(~2.3 kg·m⁻²·h⁻¹)。通过收集并检测从LM/PAN₂₁中蒸发的水中Na⁺的浓度(图6g)可以发现，净化后的人工海水中Na⁺浓度显著降低了三个数量级。此外，在实际海水中，脱盐后Na⁺、Mg²⁺、K⁺和Ca²⁺的浓度急剧下降，约为7 mg·L⁻¹(图6h)。同时，使用亚甲蓝(MB)和甲基橙(MO)溶液研究了LM/PAN₂₁蒸发器的对水中有机污染物的净化效果。如图6i所示，收集到的蒸汽中MB和MO的蓝色和橙色分别消失。其有效的染料去除能力可归因于PAN中的极性腈(-CN)基团，这些基团与带正电荷的有机染料(如MB)和金属离子相互作用。此外，多孔结构协同作用为染料提供了广泛的吸附位点，从而有效地物理捕获染料分子，如MO。

为评估了优化后的LM/PAN₂₁蒸发器在自然条件下的SSG性能，设计并制备了如图通过图7j所示太阳能蒸发器原型(SEP)。在阴天和晴天条件下评估了SEP从上午9点至下午6点的水蒸发性能(图7k)。如图7l所示，，在平均太阳辐射强度为250 W·m⁻²的阴天条件下，SEP的水蒸发率为1.1 kg·m⁻²·h⁻¹，而在平均太阳辐射量为484 W·m⁻²的晴天条件下，蒸发速率显著提高达到1.47 kg·m⁻²·h⁻¹。尽管由于盖子吸收和反射太阳光导致太阳辐射强度降低，LM/PAN₂₁蒸发器的水蒸发率较室内实验有所下降，但在实际应用中，仍展现了优异的SSG性能。

图6. LM/PAN₂₁ 蒸发器的实际太阳能水蒸发应用。a) 10 小时连续蒸发试验。b) LM/PAN₂₁ 蒸发器在 1 个太阳光照条件下进行的 60 天蒸发试验。c) LM/PAN₂₁ 蒸发器在 0.5、1、1.5、2 个太阳光照条件的水蒸发速率。LM/PAN₂₁ 蒸发器在三种人造海水中太阳能水蒸发导致的d)水的质量变化 以及e)相应水蒸发速率。f) 用于收集冷凝水蒸汽的装置。g)海水淡化前后三种人造海水的盐度。虚线是世界卫生组织 (WHO) 饮用水盐度标准。 h) 实际海水在海水淡化前后的 Na⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺ 浓度。 i)蒸发前后水中 MB 和 MO 的 UV-Vis-NIR 吸收光谱。j) 户外水蒸发实验。(k) 阴天和晴天 09:00 至 18:00 的太阳辐射和 (l) 相应的水蒸发速率。

VI 总结

受天堂鸟茎中的分级水传输通道和有效的热管理的启发，本研究制造了一种由垂直排列的多孔结构 LM/PAN 纤维组成的多尺度仿生蒸发器。在1个太阳光条件下，LM/PAN蒸发器的蒸发率达到2.66 kg m⁻² h⁻¹，能量转换效率高达96.5%。其高效的太阳能水蒸发(SSG)性能得益于LM/PAN蒸发器中定制的水传输通道，能够有效减少能量损失。LM/PAN蒸发器的多级分层水通道优化了水的分布，促进了水的吸收与运输。此外，分子动力学模拟表明，LM/PAN蒸发器与水的相互作用显著降低了水的蒸发焓，从而提升了蒸发效率。同时，LM颗粒的高效光热转换与LM/PAN蒸发器多孔结构的协同效应确保了优异的太阳能转化效率。在实际应用方面，独特的分级多孔结构使LM/PAN蒸发器在海水淡化和废水染料去除方面表现出色。在室外测试中，LM/PAN蒸发器的性能同样优异。简便的加工方法、卓越的水蒸发性能和脱盐能力使其成为解决环境冷却、湿度管理及污染减少等问题的潜力材料。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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