2026年，国际期刊《Advanced Science》发表了吉林化工学院（核心通讯单位）联合中国石油大学（华东）、东北林业大学、吉林大学等合作单位完成的研究性论文，题为《Volcano-Inspired Dual-Carbon Network Aerogel for High-Performance Solar Evaporation With Edge-Directed Salt Crystallization and Recovery》。本文提出一种火山启发的双碳网络气凝胶设计策略，用于高性能太阳能蒸发，并实现边缘定向盐结晶与回收。该设计通过双碳网络结构的协同作用，优化光热转换、水传输与盐分管理，在高效蒸发的同时引导盐分在边缘定向结晶，避免内部孔道堵塞，并实现盐的持续回收。《Advanced Science》是Wiley旗下期刊，该期刊2025-2026最新影响因子为14.1，主要刊登材料科学、物理、化学、医学与生命科学及工程领域的跨学科基础与应用研究，属于中科院综合性期刊1区TOP期刊。
论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.74823
全球淡水短缺日益加剧，亟需可持续且节能的海水淡化解决方案。在此，我们开发了一种火山启发的双碳网络气凝胶（CFCA），将分级流体通道与多尺度热管理相耦合，用于高性能太阳能海水淡化。CFCA在炭黑气凝胶中具有互连的主通道、分支通道和微孔通道，并由分散的短碳纤维增强，形成连续的毛细通路，以实现快速水传输和蒸汽释放。连续的外层碳纤维壳充当热限制层和热储层，同时引导盐分向边缘迁移。锥形几何结构产生径向温度梯度，诱导Marangoni对流，从而实现盐分的自发排出和边缘局域结晶，且不堵塞光热表面。得益于这些协同效应，CFCA在1 sun下实现了4.08 kg m⁻² h⁻¹的超高蒸发速率和95.8%的太阳能-蒸汽效率。它还在20 wt.%卤水中保持2.63 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率，盐回收效率达44.2%，并在3.5 wt.%盐水中七天运行期间实现3.00 kg m⁻² h⁻¹的平均速率。本研究建立了一种综合设计策略，整合高效光热转换、定向质量传输和可回收盐结晶，用于可规模化的太阳能驱动水净化和盐资源回收。
高性能太阳能驱动界面蒸发（SDIE）除材料组成外，结构工程在增强光捕获、蒸汽释放和盐分管理方面发挥着关键作用。然而，传统气凝胶蒸发器常面临热耗散失控和盐分积累问题，损害了蒸发速率和耐久性。为克服这些限制，仿生和三维（3D）结构近年来受到广泛关注，用于改善光子捕获、蒸汽扩散和盐分管理。Zhao等人开发了一种树启发的结构梯度气凝胶，具有根状微通道和表面排列孔，共同调控水吸收、向下盐传输和热局域化，在3.5 wt.% NaCl和20 wt.% NaCl中分别实现2.09 kg m⁻² h⁻¹和1.94 kg m⁻² h⁻¹的稳定太阳能驱动蒸发速率，且无盐结晶。Jin等人开发了一种冰山启发的倒置太阳能水发生器（ISWG），由光热涂层热电层、双层全纤维非织造布和被动冷却蒸汽冷凝器组成，调控热管理、蒸汽收集和发电，在1 sun照射下实现1.02 kg m⁻² h⁻¹的蒸汽收集速率和0.47 W m⁻²的功率输出。尽管取得了这些进展，同时实现热限制、高效水蒸发和可控盐排出仍是一项艰巨挑战，主要源于多孔蒸发器中热局域化、水传输和盐扩散之间的内在耦合与权衡。
受火山自然结构的启发，开发了一种双碳网络气凝胶（CFCA），模拟火山系统的分级形貌和功能动力学。该气凝胶具有多级通道网络，包括主通道、分支通道和微孔子通道，类似于火山的岩浆输送系统。在该框架内，分散的短碳纤维均匀嵌入炭黑气凝胶基质中，形成高度互连的毛细网络。该设计通过毛细泵送实现高效补水，并通过互连孔隙实现快速蒸汽逸出，从而在太阳照射期间维持连续的质量传输[57]。内部多孔通道与短碳纤维的结合有效减少了蒸汽阻塞，确保向蒸发界面稳定供水。此外，模仿火山口的碗状上表面有助于蒸汽收集和光捕获，增强太阳能吸收和局部蒸汽压力。
图2 火山启发的CFCA蒸发器示意图。 示意图展示火山与CFCA中的水与质量传输机制。
图3 （a）CFCA内部主通道的SEM图像。a' 火山剖面结构图。（b）CFCA周边的SEM图像。（c）CFCA周边碳纤维的放大SEM图像。（d）CFCA内部分支通道的SEM图像。（e）CFCA内部孔隙的SEM图像。（f）水滴在不同CFCA组件上渗透的时间序列光学图像。（g）CFCA碳纤维表面的水接触角。（h）CFCA置于蒲公英上的光学照片。
图4 （a）不同样品的紫外光谱，背景为AM 1.5太阳光谱。（b）不同样品的拉伸性能。（c）不同样品的压缩性能。（d）不同样品在1 sun照射下水的质量随时间变化。（e）不同样品在1 sun照射下的表面温度变化。（f）不同样品在暗条件下的蒸发速率。（g）不同样品在纯水中的蒸发性能对比。（h）不同样品在3.5 wt.% NaCl溶液中的蒸发性能对比。（i）不同样品的光吸收性能、压缩性能、拉伸性能、蒸发速率和蒸发效率对比。
图5 （a）CFCA在不同光浓度下水的质量随光照时间的变化。（b）CFCA在不同光浓度下的表面温度变化。（c）CFCA在不同光浓度下的蒸发性能。（d）不同样品在湿态下的红外热图像。（e）CFCA在干态下不同光浓度下的温度循环。（f）CFCA在不同浓度模拟海水中于1 sun照射下水的质量随时间变化。（g）CFCA在不同浓度模拟海水中于1 sun照射下的蒸发速率及CFCA在盐水中析出盐晶的照片。
图6 （a,b）CFCA的脱盐机理。（c）CFCA在不同浓度盐水中脱盐后的真实光学照片。（d）CFCA在不同浓度盐溶液中所得脱盐水的盐含量。
图7 （a）太阳能驱动脱盐装置的真实光学照片。（b）南海海水淡化前后四种主要离子的浓度（虚线分别代表WHO和EPA制定的安全盐度标准）。（c）海水淡化前后四种重金属离子的浓度。（d）7天户外测试期间的平均环境温度和湿度。（e）7天户外测试期间的平均蒸发速率。（f）CFCA在不同天气条件下（7天）的总集水量。（g）CFCA在1 kW m⁻²模拟太阳光照射下于3.5 wt.%盐水中的长期蒸发速率。（h）CFCA与其他结构蒸发器的蒸发性能对比。
本研究通过简便的溶胶-凝胶和冷冻干燥工艺，成功制备了一种火山启发的双碳网络气凝胶蒸发器。该独特结构集成了由主通道、分支通道和微孔通道组成的分级导管，同时包含嵌入炭黑气凝胶基质中的分散短碳纤维内部网络，以及连续的外层碳纤维壳。这种集成构型不仅提供了高效的毛细供水和优异的热限制，还赋予体系出色的机械稳定性和耐盐性能。与传统二维平面或单网络碳气凝胶蒸发器相比，火山启发的三维双碳结构表现出显著增强的界面热局域化和定向排盐能力。外层碳纤维壳充当热屏障和传导层，而内部分散的短碳纤维通过互连的毛细通路加速补水与蒸汽逸出。因此，该蒸发器在1 sun照射下实现了4.08 kg m⁻² h⁻¹的超高蒸发速率和95.8%的太阳能-蒸汽转换效率。即使在极端盐度（20 wt.% NaCl）下，它仍在1 sun照射下保持2.63 kg m⁻² h⁻¹的高蒸发速率，盐回收效率为44.2%，同时在3.5 wt.%盐水中维持7天长期稳定性，平均速率为3.00 kg m⁻² h⁻¹。水、热和盐传输的集成设计及其简便的制备策略，为可持续太阳能海水淡化和可回收盐结晶提供了一条可规模化路径。
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