界面太阳蒸发技术通过捕获太阳能并局部化吸收的热量以实现水的蒸发，被认为是海水淡化和太阳能转化的有前景的技术。然而，目前它受到低光热转化效率、盐分积累和可靠性差的限制。在此，我们受到人类肠道绒毛结构的启发，设计并制造了一种新型的肠道绒毛状氮掺杂碳纳米管太阳蒸汽发生器（N-CNTs SSG），其由三维（3D）分层碳纳米管矩阵组成，以实现超高的太阳蒸发效率。具有径向氮掺杂碳纳米管簇的 3D 矩阵实现了超高的表面积、光热效率和亲水性，显著增强了整个界面太阳蒸发过程。新的太阳蒸发效率高达 96.8%。此外，我们的从头算分子动力学模拟显示，与原始碳纳米管相比，氮掺杂碳纳米管在接近费米能级时表现出更多的电子态。 3D 分层碳纳米管矩阵在整个太阳光谱中的卓越吸收率和高太阳高度角为在全天候和全季节条件下实现超高光热转换提供了巨大潜力。
 
  
Fig 1. 原位碳纳米管生长制备仿生肠绒毛三维分级多孔太阳能界面蒸发器。
 
 
Fig 2. 结构和形貌表征： (a) CW SSG 的SEM图；(b) 肠绒毛状 N-CNTs SSG 的SEM图（俯视图和横截面图）；(c) CW SSG 和小肠绒毛状 N-CNTs SSG 的显微结构比较；(d) N-CNTs 的 TEM 和 HRTEM 图像；(e)和(f)不添加NaOH溶液和添加NaOH溶液的N-CNTs基材的SEM图。
 
 
Fig 3. 肠绒毛状N-CNTs SSG和CW SSG的化学成分、多孔结构和亲水性表征：(a) N-CNTs SSG和CW SSG的拉曼光谱；(b) XRD表征；(c-e) N 1s, C 1s, Co 2p元素的高分辨率XPS光谱；(f) N-CNTs SSG的N2吸附-解吸等温线及比表面积；(g) N-CNTs SSG和CW SSG的孔径分布；(h) BW、DW、CW和N-CNTs SSG的润湿性能；(i) 以荧光素钠作为指示剂的水分迁移测试。
 
 
Fig 4. 吸收光谱与DFT分析：(a) CW SSG和N-CNTs SSG的吸收光谱和透射光谱；(b) CW SSG和 N-CNTs SSG在紫外、可见光和近红外区的吸收光谱；(c) 和(d) 扶手椅型碳纳米管（4, 4）与锯齿型碳纳米管（8, 0）的普通和N掺杂几何构型；(e) 和 (g)普通扶手椅型碳纳米管的电子能带图和DOS图；(f) 和( h) N掺杂碳纳米管的电子能带图和DOS图；(i) N掺杂碳纳米管和普通碳纳米管的虚部；(j)-(l) 普通扶手椅型碳纳米管和N掺杂碳纳米管的吸收系数、消光系数和光反射率。
 
  
Fig 5. 实验室环境中的太阳能界面蒸发性能。(a) 界面蒸发实验示意图；(b) 和 (c) 在连续开关光照下N-CNTs SSG和CW SSG的温度及温度变化率；(d) N-CNTs SSG和CW SSG在不同光照强度下的平衡温度；(e) N-CNTs SSG和CW SSG在 1.0太阳光照射下的红外热成像；(f) 在一个太阳光照射下，N-CNTs SSG、CW SSG和纯水的质量变化； (g) 和 (h) CW SSG和N-CNTs SSG的蒸发速率和效率；(i) N-CNTs SSG与木基SSG和非凝胶SSG的太阳能蒸发效率比较；(j) 拒盐率测试；(k) N-CNT SSG的污水处理性能。
 
 
Fig 6. N-CNTs SSG和CW SSG的蒸发过程中的传热传质分析和室外实验。(a-d) CW SSG 和N-CNTs SSG在全域内无水（a, b）和有水（c, d）工况的温度变化；(e) N-CNTs SSG 的顶面温度变化；(f) 户外太阳能界面蒸发实验示意图；(g) N-CNTs SSG、CW SSG和纯水的质量变化；(h) 和 (i) N-CNTs SSG和CW SSG的蒸发速率和蒸发效率；(j) N-CNTs SSG对太阳光全天候利用示意图。
 
       相关研究工作由华南理工大学Lizhi Zhang、Chuanshuai Dong研究团队于2025年在线发表在《Carbon Energy》期刊上，Nature-inspired 3D hierarchical carbon nanotube matrices enable extraordinary solar steam generation，原文链接：https://doi.org/10.1002/cey2.655

转自《石墨烯研究》公众号