本研究由北京林业大学环境科学与工程学院、北京污染水体源控制技术重点实验室及水体污染源控制与生态修复工程研究中心的Hui Wang团队主导，合作作者包括Haining Shi、Xiangting Hou、Xiang Yang，以及北京师范大学水科学研究院的Zhaoyong Bian。该研究成果于2024年6月3日在线发表于*Chemical Engineering Journal*第494卷，文章编号152813。论文标题为《由碳化玉米秸秆颗粒制备的Janus结构光热转换材料用于便携式空气水提取装置》。该期刊为环境工程与化学工程领域的权威学术期刊，影响因子较高，论文的发表反映了该研究在太阳能界面蒸发与大气集水领域的创新性和应用潜力。

该研究属于环境功能材料与新能源交叉领域，重点关注利用太阳能驱动的界面光热转换技术实现大气水的高效提取。随着全球人口增长和极端气候事件频发，淡水资源短缺问题日益严峻，传统的水资源获取方式难以满足偏远地区和干旱环境下的供水需求。基于吸附-解吸循环的大气水收集技术因其不依赖传统水源和管网设施，近年来受到广泛关注。液态吸湿盐溶液因其能够同时进行吸附和解吸、成本低廉等优势，成为该技术路线中的重要材料。然而，液态吸湿盐在解吸过程中面临蒸发焓高、易在光热材料表面结晶阻塞孔隙等问题，导致光热转换效率下降。针对这一挑战，该研究旨在利用农业废弃物玉米秸秆与聚氨酯海绵复合，构建具有Janus双层结构的光热转换材料，以提升高浓度吸湿盐溶液的解吸性能，并实现便携式空气水提取装置的稳定运行。

在材料制备流程方面，研究首先将玉米秸秆清洗、超声处理后干燥，在氮气气氛下于800 ℃管式炉中碳化2小时，研磨得到生物质碳颗粒。随后将生物质碳与乙基纤维素分散于无水乙醇中，在40 ℃恒温水浴中搅拌10小时形成光热涂覆液。将聚氨酯海绵的上层浸入该溶液后自然干燥，再浸入甲基三甲氧基硅烷的乙醇溶液中进行疏水改性，重复干燥三次，最终得到Janus结构生物质碳/聚氨酯海绵（J-BC@PU）。在蒸发性能测试中，研究通过调控绝热层厚度（0、5、10、15 mm）和光热转换层厚度（2、5、10、15 mm）优化蒸发速率。测试系统由50 mL烧杯、可调氙灯光源和高精度电子天平组成，在0.7–2 sun光强下记录蒸发液体质量变化。吸湿性能测试则在恒温恒湿箱中进行，设置20%、50%和80%相对湿度条件，评估不同浓度LiCl、CaCl₂和LiBr溶液的吸水能力。实际空气取水装置由吸附区、解吸区和收集区三部分组成，30 wt% LiCl溶液作为液态吸附剂置于装置中心吸附空气中的水分，解吸区利用J-BC@PU材料在太阳光照射下加热吸湿盐溶液，水蒸气冷凝后收集。

在表征方面，扫描电子显微镜显示聚氨酯海绵具有三维多孔网络结构，未改性表面亲水，水滴在0.5秒内完全浸润；经碳颗粒负载和硅烷改性后，光热层表面粗糙度增加，水接触角达到115°，呈现明显疏水性。X射线衍射分析表明碳化玉米秸秆颗粒在20°~30°和42°处出现对应于无定形碳（002）和（100）晶面的宽衍射峰。拉曼光谱中D峰与G峰强度比值为2.99，说明材料无序度较高、热导率较低，有助于将热量集中在光热材料表面。X射线光电子能谱显示碳元素含量为84.45%，C1s谱图存在C-C、C-O、C=O、COOR和C-N等特征峰，其中sp²杂化碳含量较高，有利于增强光吸收能力。傅里叶变换红外光谱在1269 cm⁻¹和770 cm⁻¹处出现CH₃对称变形振动和C-Si伸缩振动峰，证实硅烷改性成功。力学性能测试表明J-BC@PU在80%应变下承受0.19 MPa应力，经过50次50%应变压缩循环后仍能恢复87.75%的初始应力。紫外-可见-红外漫反射分析显示生物质碳在宽光谱范围内的吸光率达到90.93%。

蒸发性能测试结果为研究的核心部分之一。当绝热层厚度固定为5 mm、光热转换层厚度为10 mm时，J-BC@PU达到最高纯水蒸发速率3.20 kg m⁻² h⁻¹，而单层结构BC@PU的蒸发速率为2.42 kg m⁻² h⁻¹，纯水在光照下仅为0.31 kg m⁻² h⁻¹。随着光强从0.7 sun提升至2 sun，蒸发速率从2.30 kg m⁻² h⁻¹增长至5.49 kg m⁻² h⁻¹。在1 sun光照条件下，J-BC@PU表面温度在900秒内从25.8 ℃升至62.6 ℃，而纯水仅从20.5 ℃升至25.8 ℃，说明该材料具有优异的光热转换性能。热损失计算表明材料在蒸发过程中的热损失为7.71%，反射损失为9.07%，光热转换效率达到83.22%。耐盐性能实验中，J-BC@PU在30 wt% NaCl溶液中连续运行8小时，蒸发速率保持在1.25–1.85 kg m⁻² h⁻¹范围内，表面未出现明显盐结晶。其耐盐机制在于Janus结构中下层亲水层持续向上输送水，盐分在亲水层和疏水光热层界面处被截留并随大量水流扩散回溶液中，从而避免盐在蒸发表面结晶阻塞孔隙。

在实际空气水提取实验中，30 wt% LiCl溶液在50%相对湿度条件下表现出最优的综合吸湿与解吸性能。尽管40 wt% LiCl具有更高的吸水率，但其蒸发速率显著下降，因此研究选择30 wt% LiCl作为液态吸附剂。在不同液层深度实验中，15 mm深度的LiCl溶液在吸附容量与成本之间达到平衡。室外实验在平均光通量0.69 kW m⁻²的条件下进行，便携式装置的水收集率达到1.74 L m⁻² d⁻¹。收集水中Na⁺、Mg²⁺、K⁺和Ca²⁺浓度均满足中国《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006/2022）和世界卫生组织饮用水水质标准。

该研究的结论指出，利用碳化玉米秸秆颗粒与聚氨酯海绵构建的Janus结构光热转换材料在纯水蒸发速率和耐盐性能方面均优于单层结构材料，并能够与高浓度吸湿盐溶液协同工作，在室外条件下实现稳定的大气水收集。其科学价值在于提出了通过Janus结构设计提升界面光热蒸发材料在高盐环境中长期运行稳定性的新策略，同时验证了生物质碳材料在宽光谱吸收和低热导率方面的协同优势。在应用层面，该研究提供了一种低成本、环境友好的太阳能驱动空气取水方案，利用农业废弃物作为原料，降低了材料制备成本，并避免了传统金属纳米材料合成复杂、难以规模化的问题。研究中的便携式装置在50%湿度和自然光照条件下即可获得满足饮用水标准的液态水，为干旱地区和离网环境下的淡水供应提供了可行的技术路径。

论文的创新点主要体现在以下方面：首先，利用玉米秸秆这种廉价且来源广泛的农业废弃物制备生物质碳光热材料，实现了废弃物的资源化利用；其次，Janus结构的构建同时解决了高浓度盐溶液蒸发过程中的盐结晶和热管理问题，突破了传统光热材料在液态吸湿剂解吸应用中的瓶颈；再次，该研究系统考察了绝热层厚度和光热转换层厚度对蒸发性能的影响，为优化Janus结构参数提供了实验依据；最后，该研究所组装的便携式空气水提取装置在实际环境下成功验证了吸附-解吸一体化运行模式的可行性，具有较高的工程应用参考价值。