中山大学材料科学与工程学院的Liangri Ying、Zhun Yuan、Jing Ding、Weilong Wang、Shule Liu以及Jianfeng Lu等研究人员在*Chemical Engineering Journal*期刊（2024年第487卷，文章编号150593）上发表了一篇题为“A bioinspired hollow fiber-based evaporator with hybrid photothermal enhancement for efficient solar steam generation”的研究论文。该研究报道了一种受企鹅羽毛结构启发的、基于碳化木棉纤维（kapok fiber, KF）的气凝胶蒸发器（Ni-NCNTs/KF），用于高效太阳能界面蒸汽生成。
该研究属于太阳能光热转换与海水淡化交叉领域。界面太阳能蒸汽生成技术利用可持续太阳能加热蒸发器表面的水层，使其汽化从而实现海水淡化或废水净化，是缓解全球淡水资源短缺的重要途径。然而，目前该技术的实际应用主要受到两方面制约：一是光热材料对太阳光谱的反射率较高，导致光吸收不足；二是蒸发过程中存在显著的热传导和热辐射损失，降低了蒸汽生成速率。此外，现有碳基光热材料在中红外区域具有较高的发射率，造成难以避免的辐射热损失。因此，如何通过合理的结构设计和光热增强机制实现高效光吸收与低热损失之间的平衡，是该领域亟待解决的关键科学问题。该研究的核心目标是开发一种兼顾高光吸收效率、高光热转换效率以及优异热管理性能的界面蒸发器。
该研究的实验工作流程主要包括四个步骤：材料制备、结构与物相表征、光物理与光热性能测试、以及蒸发性能评估。首先，材料制备方面，研究者以天然木棉纤维为骨架，将其与双氰胺（dicyandiamide, DCDA）和六水合氯化镍混合后经冷冻干燥得到前驱体，随后在氩气气氛下分两段升温碳化，在木棉纤维表面原位生长出垂直排列的镍-氮掺杂碳纳米管（Ni-NCNTs）阵列，最终得到Ni-NCNTs/KF气凝胶。该制备方法的关键创新在于利用高温下镍金属催化DCDA分解，从而在空心KF表面形成致密的NCNTs阵列，同时保留了木棉纤维天然的中空大孔结构。作为对照，研究者还制备了未负载NCNTs的纯碳化木棉纤维（KF）、负载镍但不含NCNTs的Ni/KF、以及使用商业碳纳米管替代DCDA的Ni-CNT/KF等样品。其次，在结构与物相表征方面，研究者利用X射线衍射（XRD）、拉曼光谱、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）以及X射线光电子能谱（XPS）等手段系统分析了样品的晶体结构、石墨化程度、微观形貌和元素价态。XRD结果证实了Ni-NCNTs/KF中金属镍和石墨碳的存在；SEM和TEM图像显示KF表面被直径约50 nm的竹节状NCNTs完全包覆，且NCNTs内部包埋着镍纳米颗粒，形成典型的核壳结构。第三，在光物理与光热性能测试中，研究者通过紫外-可见-近红外反射光谱、红外反射光谱、808 nm激光辐照下的升温曲线、以及光电流响应测试等，评估了样品的光吸收、红外发射、光热转换效率和电子转移行为。其中，光热转换效率使用时间-温度线性拟合方法计算；有限差分时域（FDTD）模拟和密度泛函理论（DFT）计算被用于揭示光吸收增强和电子转移的物理机制。第四，在蒸发性能评估中，研究者搭建了由氙灯模拟太阳光和四工位天平组成的蒸发测试系统，记录不同样品在1个太阳（1 sun）光照下的质量变化，并进一步测试了Ni-NCNTs/KF在海水和高浓度NaCl溶液中的蒸发速率及循环稳定性。
研究结果显示，Ni-NCNTs/KF在太阳光谱范围内实现了超过96%的光吸收效率，其中在紫外-可见区域的光吸收超过98%。这一优异性能主要归因于垂直排列的NCNTs阵列所形成的“光陷阱”效应，以及镍纳米颗粒局域表面等离子体共振（localized surface plasmon resonance, LSPR）与碳壳层之间的混合增强机制。FDTD模拟表明，垂直碳纳米管阵列结构可显著降低材料表面的有效折射率并减少入射光的角度依赖性，从而增强光捕获能力。此外，氮掺杂有效降低了材料在中红外区域的发射率，Ni-NCNTs/KF的红外发射率仅为38%，显著低于KF和Ni/KF，表明其热辐射损失较低。在808 nm激光（0.8 W cm⁻²）照射下，Ni-NCNTs/KF粉末的平衡温度达到165 ℃，光热转换效率高达70.5%，优于KF（41.55%）、Ni/KF（49.29%）和Ni-CNT/KF（58.34%）。DFT计算和XPS分析表明，镍纳米颗粒与碳纳米管之间的界面电子转移降低了功函数，促进了光生载流子的迁移，从而增强了LSPR效应并提高了光热转换效率。在热管理方面，干燥状态下Ni-NCNTs/KF的热导率仅为24.8 mW m⁻¹ K⁻¹，湿态热导率也远低于纯水和碳化棉纤维气凝胶。这种低热导率源于木棉纤维固有的中空大孔结构，其孔径远大于水蒸气分子的平均自由程，从而减少了分子碰撞和热传导损失。有限元模拟（COMSOL）和红外热像图进一步证实，蒸发过程中热量被局限在蒸发界面，顶部温度可达49 ℃，而底部温度迅速降至34 ℃，形成了明显的温度梯度。
在蒸发性能方面，Ni-NCNTs/KF在纯水中实现了3.3 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率，在南海海水中达到3.22 kg m⁻² h⁻¹，在20 wt% NaCl溶液中仍保持3.12 kg m⁻² h⁻¹，对应的太阳能蒸汽效率为90.5%。这一性能远优于纯水（0.43 kg m⁻² h⁻¹）、KF（1.83 kg m⁻² h⁻¹）和Ni/KF（1.82 kg m⁻² h⁻¹）。研究者通过差示扫描量热法（DSC）测定发现，Ni-NCNTs/KF中水的蒸发焓为1529.2 J/g，显著低于纯水的2405.8 J/g。这种低蒸发焓归因于空心纤维骨架和NCNTs表面亲水基团所形成的大有效蒸发面积和氢键作用，从而降低了水分子蒸发所需的能量。此外，Ni-NCNTs/KF还表现出优异的循环稳定性和自清洁能力：在连续6小时的海水蒸发过程中未观察到盐沉积；在20 wt% NaCl溶液中虽出现暂时的盐结晶，但在停止光照3小时后盐晶可自发溶解回底部水体中。
该研究的核心结论是：通过仿生企鹅羽毛结构，将垂直排列的Ni-NCNTs阵列生长在空心木棉纤维表面，实现了光吸收、光热转换和热管理的协同优化。该蒸发器在1个太阳光照下的海水蒸发速率达到3.22 kg m⁻² h⁻¹，太阳能蒸汽效率为90.5%，光热转换效率为70.5%，并具有低红外发射率、低蒸发焓和良好的抗盐性能。研究成果不仅为高效光热材料的设计提供了一种新的仿生范式，也为海水淡化和清洁水生产提供了一种可规模化、低成本的解决方案。
该研究的亮点主要包括三点：一是首次将企鹅羽毛的中空隔热结构与木棉纤维的天然大孔特性相结合，通过保留纤维骨架的中空结构显著降低了蒸发器的热导率；二是提出了核壳结构Ni-NCNTs的混合光热增强机制，实验和理论计算共同证实了界面电子转移对LSPR效应的增强作用；三是通过FDTD和COMSOL多物理场模拟，系统揭示了垂直纳米管阵列的光捕获机制和蒸发器内部的热局域化行为。此外，该研究还展示了Ni-NCNTs/KF在透明蒸汽收集装置中收集的冷凝水离子浓度较原海水降低了3至4个数量级，符合世界卫生组织的饮用水标准，证明了其实际应用潜力。