文献前沿| Adv. Mater.：微流控制备光热螺旋微纤维用于高效太阳能蒸发

太阳能界面蒸发为低能耗海水淡化和清洁水制备提供了可持续路径，其中纤维膜和织物因柔性好、比表面积大、易于规模化制备而受到广泛关注，但传统平面织物受限于二维结构，蒸发面积和蒸汽扩散空间有限，且易出现盐分积累，单纯依靠表面改性或后续折叠重构也难以实现光、热和水传输的协同调控。针对这一问题，该工作利用微流控纺丝直接制得具有内在三维结构的弹性螺旋凝胶微纤维，并将其组装为光热蒸发织物。材料以海藻酸钠（SA）、羟乙基丙烯酰胺(HEA)和聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)构建亲水交联网络，同时引入多壁碳纳米管实现光热转换，通过调节螺旋节距优化毛细供水、渗透性和蒸汽扩散。螺旋结构形成的多级曲面和内部空腔进一步增强光捕获与热局域，并通过连续液–气界面促进盐分回流和Marangoni对流。该蒸发器兼具高效蒸发、良好耐盐性和形变适应能力，并可进一步用于光跟踪户外蒸发，为纤维基太阳能蒸发器从二维平面结构向纤维尺度三维构型转变提供了新的设计思路。相关工作以Microfluidic-Enabled Elastic Photothermal Helical Gel Microfibers for High-Efficiency Solar Evaporation With Spatially Regulated Light-Thermal-Water Management为题发表在Advanced Materials期刊。

文章首先对比直线微纤维与螺旋微纤维在结构及传输路径上的差异，提出螺旋纤维蒸发界面设计，实现光、热和水传输的空间协同调控（图式1）。随后利用微流控纺丝制备不同节距的螺旋凝胶微纤维，并分析其形成过程和力学性能（图1）。进一步结合润湿性、毛细上升、渗透率计算及水输运实验，确定适宜的螺旋节距和供水性能（图2）。在此基础上引入多壁碳纳米管赋予光热性能，比较不同结构的光吸收、温升和蒸发性能，获得最高3.65 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率（图3）。随后从水分子状态、蒸发焓、热传导和蒸汽扩散解释性能提升机制（图4）。进一步通过高盐蒸发、自清洁、盐传输模拟及户外淡化验证其耐盐和水净化能力（图5）。最后利用螺旋纤维良好的弯曲适应性实现光跟踪蒸发，并在户外测试中获得8.57 kg m⁻² h⁻¹的平均蒸发速率，验证其实际应用潜力（图6）。

图示1.直线微纤维与螺旋微纤维的结构差异及光–热–水调控设计。(a)直线微纤维示意图。(b)螺旋微纤维示意图。(c)具有光–热–水传输空间调控功能的螺旋微纤维蒸发器示意图。

图1.螺旋微纤维的微流控制备、结构调控及力学性能。(a)微流控制备螺旋微纤维的示意图。(b)螺旋结构形成机理示意图。(c)收集后的螺旋微纤维实物图。(d)所制备螺旋微纤维的实物图。(e)不同内相和外相注射速率下螺旋节距的变化。(f、g)对应条件下微纤维的实物图。(h)直线微纤维与螺旋微纤维的拉伸应力–应变曲线。(i)螺旋微纤维拉伸及恢复过程的实物图，比例尺为1 cm。(j)螺旋微纤维缠绕不同形状模具及手指后的实物图，比例尺为1 cm。

图2.螺旋微纤维的结构表征、润湿性及水输运性能。(a) SA和SHP的衰减全反射傅里叶变换红外（ATR-FTIR）光谱。(b) SHP螺旋微纤维的表面扫描电子显微镜（SEM）图像。(c) SHP螺旋微纤维的截面SEM图像。(d) SHP螺旋微纤维织物的接触角测试。(e)螺旋节距小于0.2 mm的单根螺旋微纤维中的自发向上水输运。(f)螺旋微纤维倾斜表面上的毛细驱动液体流动。(g)固体壁面与超亲水水膜界面之间受限环形空间内的液体输运。(h)亲水织物中毛细上升高度随纱线材料水接触角和孔隙边长的变化。(i)基于Kozeny–Carman方程计算的织物渗透率与液体流速。(j)毛细上升速率。(k)输运水质量及毛细上升高度。(l)不同螺旋节距微纤维织物和直线微纤维织物中罗丹明B（RhB）溶液输运过程的实物图。

图3.光热螺旋微纤维的构筑、光热性能及太阳能蒸发性能。(a)多壁碳纳米管（MWCNTs）的微流控引入过程示意图。(b)光热螺旋微纤维织物的实物图。(c) SHP-MWCNTs螺旋微纤维的SEM图像。(d) SHP-MWCNTs和SHP微纤维的紫外–可见–近红外（UV–vis–NIR）光谱。(e)光在螺旋微纤维和直线微纤维内部反射与散射的示意图。(f) SHP织物、SHP-MWCNTs螺旋微纤维织物和直线微纤维织物的表面温度随时间变化。(g) 1 sun光照下SHP-MWCNTs螺旋微纤维织物和直线微纤维织物的红外热成像图。(h)蒸发测试装置及螺旋微纤维织物蒸发器产生水蒸气的示意图。(i)不同螺旋节距微纤维蒸发器及直线微纤维蒸发器的蒸发速率。(j)本文螺旋微纤维蒸发器与已报道纤维基蒸发器的性能对比。(k) SHP-MWCNTs微纤维的拉曼光谱。

图4.螺旋微纤维蒸发器的水状态调控、热局域及蒸汽传输机制。(a) SHP-MWCNTs中不同水分子状态示意图。(b) SHP-MWCNTs、SA-MWCNTs及体相水的差示扫描量热（DSC）曲线。(c) SHP-MWCNTs相较于SA-MWCNTs的等效蒸发焓降低情况。(d)螺旋微纤维蒸发器局域蒸发机制示意图。(e)直线微纤维蒸发器热管理的COMSOL模拟结果。(f)螺旋微纤维蒸发器热管理的COMSOL模拟结果。(g)螺旋微纤维蒸发器在0、120、300和600 s时的水蒸气扩散过程。

图5.螺旋微纤维蒸发器的耐盐机制及实际水净化性能。(a)螺旋微纤维和直线微纤维蒸发器在3.5 wt% NaCl盐水中连续9 h的蒸发速率。(b)螺旋微纤维和直线微纤维蒸发器的盐自清洁过程实物图。(c)螺旋微纤维蒸发器增强排盐机制示意图。(d)直线微纤维蒸发器中盐沉积的COMSOL模拟结果。(e)螺旋微纤维蒸发器中盐沉积的COMSOL模拟结果。(f)户外太阳能海水淡化装置实物图。(g)户外太阳辐照强度、环境温度及水质量变化。(h)模拟海水净化前后金属离子浓度。(i)系统处理pH=0、pH=13.82、茜素黄（AY）和罗丹明B（RhB）溶液时的蒸发速率。(j)酸性/碱性水处理前后的pH试纸实物图。(k) RhB溶液净化前后的UV–vis光谱，插图为相应溶液实物图。(l) AY溶液净化前后的UV–vis光谱，插图为相应溶液实物图。

图6.光跟踪螺旋微纤维蒸发器的形变适应性、水输运及户外蒸发性能。(a)用于光跟踪蒸发的螺旋微纤维和直线微纤维蒸发器示意图。(b)自然状态下螺旋微纤维和直线微纤维蒸发器弯曲角度的实物图。(c)不同弯曲角度下的水输运实物图，包括15°和30°的直线微纤维，以及15°、30°、60°和90°的螺旋微纤维。(d)螺旋微纤维蒸发器在15°、30°、60°和90°弯曲角下的蒸发速率。(e)直线微纤维蒸发器在15°和30°弯曲角下的蒸发速率。(f)光跟踪蒸发器与静态平面蒸发器投影蒸发面积的比较。(g)户外测试期间太阳辐照强度、环境温度，以及静态平面螺旋微纤维蒸发器、光跟踪螺旋微纤维蒸发器和光跟踪直线微纤维蒸发器的蒸发速率。(h)螺旋微纤维蒸发器用于淡水供应的应用前景示意图。

小结：为突破传统平面纤维织物蒸发面积受限、蒸汽扩散受阻和易积盐的问题，文章利用微流控纺丝制备具有内在三维螺旋结构的凝胶微纤维，并引入多壁碳纳米管赋予光热性能，通过调节螺旋节距兼顾毛细供水、渗透性和蒸汽传输。优化后1.0 mm节距样品在1 sun下蒸发速率达到3.65 kg m⁻² h⁻¹，太阳能-蒸汽转换效率为116.3%，凝胶网络将等效蒸发焓降低至1828.3 J g⁻¹。在耐盐方面，材料在3.5 wt% NaCl中连续9 h保持约3.50 kg m⁻² h⁻¹，在20 wt% NaCl中仍可达到2.82 kg m⁻² h⁻¹，并在21 d、每天8 h的盐水蒸发测试中维持约3.50 kg m⁻² h⁻¹。螺旋纤维的拉伸强度达到2.25 MPa，可自然弯曲约120°，具备较好的形变适应性和光跟踪能力。户外测试中，在约950 W m⁻²太阳辐照下，光跟踪蒸发器平均蒸发速率达到8.57 kg m⁻² h⁻¹，显示出较好的实际应用潜力。

论文信息：

Ou J, Wang Y, Wei L, et al. Microfluidic-enabled elastic photothermal helical gel microfibers for high-efficiency solar evaporation with spatially regulated light-thermal-water management[J]. Advanced Materials, 2026: e74963.

https://doi.org/10.1002/adma.74963

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