bob半岛体育太阳能驱动的界面蒸发是一种新兴且极具潜力的海水淡化技术。作为一种可持续的生物质材料，木材具有独特的多层级结构和丰富的孔隙构造，兼具良好的亲水性与低导热性，是一种天然的太阳能界面蒸发器基体材料。然而，由于天然木材缺乏高度连通的大孔结构，在长期运行过程中或高浓度盐水条件下，木基蒸发器表面易积盐而限制其实际应用。针对上述问题，课题组前期以层状木材海绵为基材，通过负载碳纳米管对其表面进行功能化修饰，创制了具有优异抗积盐性能的木材海绵蒸发器，可在高盐度水中保持稳定的蒸发性能（ACS Applied Materials & Interfaces 2023, 15, 38100-38109）。尽管如此，由于结构设计的限制，这类传统木基蒸发器（“纵切面型”和“横切面型”）仍然难以协同发挥木材各向异性结构在水分传输和隔热方面的优势来实现高效的界面蒸发。此外，传统木基蒸发器通常将光吸收和水蒸发功能集成在同一表面，使得入射太阳光和产生的水蒸气之间相互干扰进而导致不可避免的能量损失，限制了器件的蒸发性能。
受苹果叶片单向蒸腾作用的启发BOB半岛，中国林科院木材工业研究所王小青团队报道了一种光吸收-水蒸发表面分离的双层Janus木基蒸发器（BJWE），可有效避免光-蒸汽相互干扰从而实现高效的太阳能驱动界面蒸发。该双层木基蒸发器以纵向木片（LP）为水传输层，以浸渍PDMS的碳化横向木片（CPTP）为光热层，通过导热胶黏合制得。其中，亲水性纵向木片通过竖直定向排列的细胞通道将水传输至蒸发表面，而疏水性碳化横向木片则可实现快速的光热转化，并凭借其高导热性将热量快速传导至水传输层用于高效水蒸发，同时避免了生成的蒸汽从光热层逸出导致的能量损耗。得益于独特的双层结构设计，BJWE在1个标准太阳照射条件下展现出了高蒸发速率（2.12 kg m-2 h-1）和蒸发效率（92.3%）BOB半岛，优于之前报道的大部分木基蒸发器。此外，BJWE还具有良好的抗积盐性能，且能有效净化各种废水（如有机染液和油水乳液）。这种 Janus界面结构设计为开发高性能太阳能界面蒸发器提供了一种新策略。
图1 苹果叶片的单向蒸腾作用模式（a）和双层Janus木基蒸发器的仿生设计
图2 双层Janus木基蒸发器的微观形貌结构表征。（a）BJWE的构建策略；（b）BJWE实物照片；（c和d）水传输层SEM图片；（e和f）光热层SEM图片；（g）双层结构胶合界面SEM图片。
由于木材的各向异性结构，其纵向的热-质传输较横向更为高效。鉴于此，本研究以低密度轻木（~80 mg cm-3）的纵向木片（LP）为水传输层（~400 µm），以浸渍PDMS的碳化高密度轻木（~400 mg cm-3）的横向木片（CPTP）为光热层（~1 mm），通过导热胶黏合制得双层Janus蒸发器。低密度纵向木片细胞壁薄且孔隙率较高，具有高度亲水性（水接触角约为0°），有利于水分在毛细管力作用下通过竖直细胞通道快速向上传输。高密度横向木片（TP）细胞壁厚，木材实质占比高，经炭化后可获得优异的光热转化性能并显著提升其导热能力，促进热量从光热层向水传输层的快速传输。疏水改性处理后，炭化横向木片（CTP）的细胞孔道被固态PDMS完全填充，展现出相对密实的结构，且疏水性显著提升（水接触角可达142°），可实现光吸收-水蒸发表面分离，阻止水传输层产生的蒸汽从光热层表面逸出。此外，水传输层与光热层之间薄而紧密的胶合界面（~100 µm）有助于实现快速的界面传热，促进高效的太阳能驱动界面蒸发。
图3 BJWE的光热转化与传热性能。（a）不同样品的光吸收率；（b）蒸发状态下器件光热层与水传输层表面的红外热像图（1个标准太阳）；（c）相应的温度变化曲线；（d）双层结构界面传热效率；（e）蒸发状态下Janus木基蒸发器与文献报道的木基蒸发器表面平衡温度对比（1个标准太阳）。
经过炭化处理后，CTP在200-2500 nm的宽波长范围内展现出93.68%的平均光吸收率，明显高于未经炭化处理的木材（35.78%）。红外热成像图与温度-时间变化曲线显示，当光热层表面受到光照后（1个标准太阳），光热层和水传输层的表面温度在2 min均随时间的迁移而快速上升，且在15 min后各自稳定在54 oC和45oC左右，界面传热效率可达83.3%。上述结果表明，BJWE具有优异的光热转化性能及良好的界面传热能力BOB半岛。这种优异的热管理能力可归因于以下3个方面：1）BJWE光吸收面（疏水）和水蒸发面（亲水）分离的 Janus 结构可从根本上避免光-蒸汽干扰，从而最大限度地减少能量损失；（2）独特的 T 型结构设计能有效地将光热层与水体分离，进而减少热能损失；3）各向异性的结构设计使得器件中热质传输方向错位，可将生成的热量更好地限域在光热层中。综上， 这些结构优势有助于BJWE高效利用太阳能从而提高其蒸发性能。
图4 BJWE的蒸发性能。（a）BJWE太阳能驱动界面蒸发过程图示；（b）BJWE蒸发过程实物照片（5个标准太阳）；（c-f）具有不同厚度及密度水传输层（c 和 d）和光热层（e 和 f）的 BJWE 蒸发速率随时间的变化（1个标准太阳）；（g）BJWE的水路示意图；（h）水路宽度对BJWE蒸发性能的影响；（i）BJWE 与不同类型蒸发器的蒸发性能比较（1个标准太阳）。
为了证明 BJWE 光吸收与水蒸发过程的解耦合BOB半岛，在高光照强度条件下（5个标准太阳）可清晰看见蒸汽仅从水传输层表面散逸而非光热层表面，表明BJWE光吸收-水蒸发表面的成功分离。木材结构（厚度和密度）对 BJWE 蒸发性能具有重要影响。结果显示，减小水传输层的厚度及密度有助于增加其气体渗透性和降低水蒸发焓，而减小光热层的厚度和增大其密度则有利于缩短光热层水平传热路径和提高导热系数，均可提升器件的蒸发性能。1个标准太阳条件下，具有薄（400 µm）且低密度（80 mg cm-3）水传输层和薄（1 cm）且高密度（400 mg cm-3）光热层的BJWE具有2.03 kg m-2 h-1的最优蒸发性能。由于蒸发过程中水路同时影响器件的热-质传输，因此除木材厚度和密度外，水路宽度也会影响器件蒸发性能。研究显示，适当降低水路宽度有利于实现水分传输和能量损耗的平衡，从而促进高效的界面蒸发。水路宽度为1 cm时，BJWE最佳蒸发速率为2.12 kg m-2 h-1，蒸发效率为92.3%。
图5 器件的抗积盐、水体净化及户外蒸发性能。（a）BJWE在 3.5 wt%的盐水中连续运行不同时间后光热层和水传输层照片（1个标准太阳）；（b）连续8h运行器件的蒸发速率变化；（c）自制水收集装置图示；（d）淡化前后模拟海水中四种主要离子的浓度；（e）净化前后溶液中亚甲基蓝浓度；（f）净化前后乳液中总有机碳浓度；（g）户外蒸发性能测试。
得益于独特的结构设计，BJWE具有良好的抗积盐性能。一方面，光热层中疏水性PDMS的引入完全阻止了盐水的渗入，因此避免了盐分在其表面的沉积；另一方面，水传输层竖直的细胞通道提供了一个导流的路径，盐水在毛细管力作用下向上传输，形成了竖直方向上的盐度梯度，一旦盐水达到饱和浓度，盐晶会在水传输层的顶部边缘析出而不会出现在蒸发表面。得益于器件良好的抗积盐性能，BJWE在连续8 h运行过程中其蒸发性能稳定在1.97-2.06 kg m-2 h-1。经过太阳能脱盐后，盐溶液中各金属离子的去除率接近100%，达到世界卫生组织（WHO）规定的饮用水标准，表明BJWE具有良好的水净化能力。此外，BJWE对亚甲基蓝溶液和水包油乳液等多种废水同样具有良好的净化能力。户外试验显示，在自然光照强度、环境风速及温度的协同作用下BOB半岛，BJWE展现出了较高的蒸发性能（2.3 kg m-2 h-1），证明了其良好的实际应用潜力。
受苹果叶片单向蒸腾作用的启发，本研究开发了一种光吸收-水蒸发表面分离的双层Janus木基蒸发器用于高效光热界面蒸发。得益于独特的结构设计，BJWE 不仅可以避免光与水蒸气的相互干扰，还能协同发挥木材各向异性结构在水分传输和隔热方面的优势，从而减少能量损失，提高器件的蒸发性能。经过结构优化的 BJWE在1个标准太阳照射条件下展现出了高蒸发速率（2.12 kg m-2 h-1）和蒸发效率（92.3%），优于之前报道的大部分木基蒸发器。此外，BJWE还具有良好的抗积盐性能，且能有效净化各种废水（如有机染液和油水乳液）。总之，这种 Janus界面结构设计为开发高性能太阳能界面蒸发器提供了一种新策略。