中大余树东/ ACS AMI：牵牛花启发的3D LIG/PDA纸基蒸发器用于高效太阳能界面蒸发|pda|中大余树东|太阳能|牵牛花|离子|蒸发器|锥形

淡水资源短缺是 21 世纪最严峻的全球性挑战之一，清洁水的稳定获取对人类社会可持续发展、公共健康保障以及农业和工业生产具有重要意义。随着人口增长和城市化进程加快，传统海水淡化与水处理技术普遍存在能耗高、设备复杂和运行成本高等问题，迫切需要发展绿色、低成本且可持续的新型水资源获取技术。界面太阳能蒸发（Interfacial Solar Steam Generation，ISSG）技术能够直接利用太阳能将热量局域化于蒸发界面，实现高效水蒸发过程，被认为是极具应用前景的清洁淡化方案。近年来，纤维素纸因其来源广泛、生物可降解性优异、柔性良好且加工成本低廉，逐渐成为太阳能蒸发器理想的基底材料。然而，原始纤维素纸光吸收能力有限，通常需要引入光热材料进行功能化改性；同时，传统二维纸基蒸发器在结构设计上存在有效蒸发界面面积受限、光能利用效率不足以及热损失较大的问题。此外，在长期海水蒸发过程中，盐分易在蒸发界面沉积并形成结晶堵塞，进一步恶化水输运性能并降低蒸发效率。这些因素共同制约了二维纸基太阳能蒸发器的性能提升与长期稳定运行。

相比二维结构，三维蒸发器能够通过多角度光捕获增强光陷获效应，扩大有效蒸发界面面积，并优化水输运与热管理过程，从而显著提升整体蒸发效率。本研究受牵牛花漏斗状花冠结构启发，构建了一种基于纤维素纸的三维激光诱导石墨烯/聚多巴胺（LIG/PDA）太阳能蒸发器。通过 CO₂ 激光原位构筑高效光热层，并引入多巴胺自聚合修饰提升材料亲水性，进一步将二维纸基折叠为三维锥形构型，实现多重光反射、蒸发界面扩展与热管理协同优化。在1 个太阳辐照条件下，该蒸发器蒸发速率达到2.02 kg·m-2h-1，表观蒸发效率高达 125.1%。同时，锥形结构可引导盐分在边缘区域结晶脱落，有效抑制盐结晶堵塞，显著提升长期运行稳定性。户外测试结果表明，该装置 8 小时淡水产量可达5.03 kg·m-2，淡化后水质满足世界卫生组织（WHO）饮用水标准。相关成果以 “Morning Glory-Inspired 3D LIG/PDA Paper Evaporators for Efficient Solar Steam Generation” 为题发表在国际期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。（JCR一区，IF：8.2）上。中山大学先进制造学院余树东副教授为该论文通讯作者，本科生余骐旭为该论文第一作者。

图文导读

图 1 基于纤维素纸激光诱导石墨烯的牵牛花启发三维（3D）锥形蒸发器制备流程示意图。纤维素纸首先经过磷酸盐基阻燃剂（PFR）处理，随后通过 CO₂ 激光刻蚀诱导石墨化并形成激光诱导石墨烯（LIG）。随后对 LIG 表面进行多巴胺自聚合改性，获得具有亲水性的 LIG/PDA 复合材料。最后将二维纸基基底裁剪并折叠成三维锥形结构，用于太阳能驱动的界面蒸发。

图 2 PFR、LIG 与 LIG/PDA 在不同放大倍率下的扫描电子显微镜（SEM）图像。（a–c）PFR 的 SEM 图像，（d–f）LIG 的 SEM 图像，（g–i）LIG/PDA 的 SEM 图像。

图 3 纤维素纸、LIG 与 LIG/PDA 的结构表征、光热转换性能及润湿性能分析。（a）LIG/PDA 的 SEM 元素分布图（C、N、O、P），显示磷元素在材料表面的存在及其均匀分布；（b）纤维素纸、LIG 与 LIG/PDA 的 X 射线光电子能谱（XPS）全谱；（c）纤维素纸、LIG 与 LIG/PDA 的拉曼光谱；（d）纤维素纸、LIG 与 LIG/PDA 的水接触角变化情况；（e）纤维素纸、LIG 与 LIG/PDA 的光学吸收光谱及 AM 1.5G 标准太阳光谱的归一化辐照强度分布；（f）在1 sun 光照条件下，纤维素纸、LIG 与 LIG/PDA 的表面温度变化曲线。

图 4 纤维素纸、LIG 与 LIG/PDA 二维太阳能蒸发器的室内蒸发性能测试结果。（a）在 1 sun 光照条件下，体相水、纤维素纸、LIG 与 LIG/PDA 的质量变化曲线；（b）在1 sun 光照条件下，体相水、纤维素纸、LIG 与 LIG/PDA 的蒸发效率对比；c）在不同光照强度（0.5 sun、1 sun、1.5 sun 和 2 sun）条件下，LIG/PDA 的质量变化曲线。

图 5 锥形蒸发器光热性能的数值模拟与实验测试结果。（a）A 组与 B 组锥形蒸发器结构示意图；（b）在湿润状态下、1 sun 光照条件下，A 组锥形蒸发器的温度场模拟结果；（c）在湿润状态下、1 sun 光照条件下，B 组锥形蒸发器的温度场模拟结果；（d）采用 TracePro 软件模拟得到的不同锥角锥形蒸发器光吸收性能；（e）在湿润状态下、1 sun 光照条件下，A 组锥形蒸发器的实验温度变化曲线；（f）在湿润状态下、1 sun 光照条件下，B 组锥形蒸发器的实验温度变化曲线。

图 6 模拟太阳光照条件下三维 LIG 基蒸发器的蒸发性能、稳定性及抗盐性能测试结果。（a）在1 sun 光照条件下，LIG、LIG/PDA、3D-LIG 与 3D-LIG/PDA 蒸发器的质量变化曲线；（b）在1 sun 光照条件下，体相水与 HLPA-40、HLPA-70 和 HLPA-100 锥形蒸发器的质量变化曲线；（c）在 1 sun 光照条件下，体相水与 HLPB-40、HLPB-70 和 HLPB-100 锥形蒸发器的质量变化曲线；（d）3D-LIG 与 3D-LIG/PDA 在去离子水中的循环蒸发稳定性测试结果；（e）在1 sun 光照条件下，3D-LIG 与 3D-LIG/PDA 在不同浓度 NaCl 溶液（纯水、0.8 wt.%、3.5 wt.%、7 wt.% 和 10 wt.%）中的蒸发速率对比；（f）锥形蒸发器锥体边缘区域盐结晶的光学照片，表明该结构具有高效盐分管理能力和良好的长期运行稳定性。

图 7 三维 LIG/PDA 蒸发器的户外蒸发性能测试结果。（a）户外太阳能海水淡化实验装置示意图；（b）海水淡化前后 Na⁺、Mg²⁺、K⁺ 和 Ca²⁺ 离子浓度对比；（c）于 2025 年 8 月 22 日在东经 113°57′、北纬 22°47′ 地点开展的户外蒸发实验结果。

余树东，博士，中山大学先进制造学院“百人计划”副教授，硕士生导师。在Advanced Functional Materials、Chemical Engineering Journal、Materials Horizons、Small等期刊以第一/通讯作者发表论文29篇，包括4篇封面论文，ESI高被引论文1篇；谷歌学术引用1400余次，H指数24。主持项目10余项，其中包括2项国家级项目，5项省部级项目。曾获得上银优秀机械博士论文奖、广东省科技进步一等奖等奖项。主要从事仿生功能结构、太阳能利用、被动辐射冷却等研究。