文献前沿| Science Advances：高等植物多级结构协同实现高效太阳能净水

太阳能界面蒸发是一种利用太阳能净化水的技术，但现有蒸发器仍面临制备成本较高、结构设计复杂以及植物基材料天然结构优势未得到充分利用等问题，限制了其可持续性和实际应用。针对这一问题，文章以木材、麦秆和纳米纤维素为原料，将炭黑涂覆的贯通孔超薄木片作为光热转换层，并将纳米纤维素气凝胶与竖直排列的麦秆结合，构建兼具光热转换与定向供水功能的三维蒸发器。该结构利用纳米纤维素气凝胶的毛细输水能力和麦秆管腔的限域作用，缩短水分输运路径，同时借助气凝胶的隔热特性减少热量向下传递，使供水、热量管理与界面蒸发相互配合。该蒸发器实现了高效太阳能蒸发，并在户外海水淡化和受污染河水净化中表现出良好的运行稳定性与规模化应用潜力，为利用植物天然结构优势开发低成本、可持续的太阳能净水材料提供了新的思路。相关工作以Sustainable solar water purification: Exploring the structural advantages of higher plants为题发表在Science Advances期刊。

文章首先将炭黑涂覆的贯通孔超薄木片与纳米纤维素气凝胶、竖直排列的麦秆组合，构建兼具光热转换和定向供水功能的三维蒸发器（图1）。随后介绍蒸发器的制备过程，并通过显微表征和三维X射线成像观察各组分的微观形貌与空间排列（图2）。围绕水分输运特性，文章比较不同材料的光吸收和各方向水输运性能，并结合有限元模拟，分析麦秆通道对水分迁移路径的调控作用（图3）。通过不同组分的对照实验，进一步比较蒸发性能，并验证该装置在海水淡化和受污染河水净化中的表现（图4）。最后，开展长期户外产水实验，检测收集水的水质，并通过装置放大和成本效益比较，评估其长期运行表现与实际应用潜力（图5）。

图1．植物源蒸发器的组装及低曲折度输水太阳能净水示意图。蒸发器主要由两部分组成：光热转换单元，由炭黑（CB）颗粒涂覆的具有贯通孔的木片构成。水输运单元由木源纳米纤维素气凝胶与竖直紧密排列的麦秆复合构成

图2. CWSN-E蒸发器的制备与结构表征。(A) CWSN-E的制备流程示意图：(a)切片，(b)浸渍，(c)自然干燥，(d)切割，(e)有序堆叠，(f)浇注与冷冻干燥，(g)组装。(B、C)超薄木片横截面和纵截面的光学显微镜图。(D、E)炭黑涂覆木片的实物照片和扫描电子显微镜（SEM）图。(F、G)麦秆及其外壁的SEM图。(H) SN-E表面的实物照片。(I) SN-E内部纳米纤维素气凝胶的SEM图。(J) CWSN-E的实物照片。(K、L) CWSN-E底部和顶部视角的三维X射线显微成像图。

图3.性能对比。(A)不同材料的紫外–可见–近红外光谱，紫色填充曲线表示归一化AM 1.5 G标准太阳光谱辐照度分布。(B)水滴穿透炭黑涂覆木片的实物照片。(C、D)不同材料沿竖直方向和横向的水输运速率。(E、F)不同材料沿竖直方向输水1 s和横向输水70 s时的实物照片。(G、H)定向排列通道和随机无序通道中水输运过程的有限元模拟结果。

图4.一倍太阳光照下的太阳能蒸汽生成性能。(A)太阳能蒸发实验示意图。(B、C)环境条件下不同蒸发体系的蒸发速率和质量变化。(D、E)有无CWSN-E条件下，海水和受污染河水的蒸发速率及质量变化。(F)不同光照时间下，漂浮于水面的CWSN-E表面温度红外热成像图。

图5.户外蒸发及综合性能分析。(A)搭载CWSN-E的蒸发装置在连续75天户外实验中，不同时段的海水淡化产水量。绿色背景表示每日向装置补充海水，以确保系统供水充足；黄色背景表示停止补充海水直至水完全蒸发；橙色背景表示恢复海水供应。(B)海水淡化所得淡水的实物照片，红色虚线表示液面高度。(C)海水与收集淡水中的金属离子浓度。(D)海水平均盐度及CWSN-E淡化处理前后海水的盐度。绿色和紫色虚线分别表示世界卫生组织（WHO）和美国环境保护署（EPA）饮用水盐度标准的上限。(E) CWSN-E净化受污染河水所得淡水的水质评价。括号内数值表示《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）中各指标的限值，插图分别为处理前的受污染河水（左）和处理后收集的淡水（右）。(F) 9块CWSN-E的实物照片。(G)由多块CWSN-E组成、用于户外受污染河水净化的大型太阳能蒸发系统实物照片。(H)不同蒸发器在五项指标上的综合性能对比。(I) CWSN-E与其他类型太阳能蒸发器在蒸发速率和成本方面的成本效益对比。生物质基蒸发器主要包括纤维素基和木质素基蒸发器，图中数值表示不同蒸发器的性能与成本之比。

小结：文章利用木材、麦秆和纳米纤维素构筑植物源太阳能蒸发器，通过炭黑涂覆木片实现光热转换，结合纳米纤维素气凝胶的毛细供水和麦秆通道的限域作用，缩短水分输运路径。该蒸发器在1 sun光照下的蒸发速率达到3.2 kg·m⁻²·h⁻¹，太阳能蒸汽转换效率为92%。户外实验中，海水淡化日产水量最高达到10.9 kg·m⁻²，连续运行75天后仍保持良好的结构完整性和蒸发性能，所得淡水符合水质标准。装置加工成本仅为10.46美元/m²，展现出较好的成本效益。该研究为利用植物天然结构构建高效、低成本且具有实际应用潜力的太阳能净水装置提供了新思路。

论文信息：

Han, Xue, et al. "Sustainable solar water purification: Exploring the structural advantages of higher plants." Science Advances 12.42 (2026): eaeh3059.

https://doi.org/10.1126/sciadv.aeh3059.

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