随着全球人口的增长、工业的快速发展以及水体的污染加剧，淡水短缺问题变得越来越严重[1]。海洋覆盖了地球表面的71%，储存了地球上97%的水资源[2]、[3]、[4]。将丰富的海水转化为对生命和发展至关重要的淡水，是一种解决全球水危机、确保水资源安全并支持可持续发展的战略技术[5]。目前，已经开发并应用了多种海水淡化方法，包括膜蒸馏[6]、[7]、反渗透[8]、多级闪蒸[10]、[11]和多效蒸馏[12]等[13]。然而，这些方法能耗高、成本高昂，难以满足可持续发展的要求，特别是在经济欠发达地区[14]、[15]。作为一种全球分布的可再生能源，太阳能可以通过光热界面有效驱动水蒸发，实现低成本的海水淡化[16]、[17]。因此，太阳能驱动的界面水蒸发被视为直接解决全球淡水短缺问题的一个极具前景的下一代通用解决方案[18]。
理想的太阳能蒸汽蒸发器必须同时满足实现高蒸发效率和长期稳定性的关键要求[19]。首先，能够在宽太阳光谱范围内实现卓越的光吸收能力对于最大限度地将阳光转化为热能至关重要[20]、[21]、[22]。此外，高效的水分传输和供应是确保水分持续流向活跃蒸发区域、维持蒸发过程并防止盐分积累的必要条件[23]。此外，一个大面积且易于接触的蒸发界面对于促进水分快速相变并进入周围大气至关重要，从而直接提高蒸发速率。基于碳的材料在太阳能海水淡化系统中表现出诸多优势，如宽光谱光吸收、优异的水分传输和热管理能力、低成本以及环保性[24]。在各种候选材料中，石墨烯气凝胶（GA）因其完美的宽光谱内在光吸收能力和多孔三维（3D）网络结构而受到广泛关注。通过精心调节孔径分布和孔隙率，GA可以表现出强大的毛细作用，实现从底部到封闭蒸发表面的快速连续水输送。遗憾的是，GA的蒸发表面主要由二维石墨烯片的基面组成，导致可用于水蒸发的比表面积有限，从而形成了高效产气的瓶颈。此外，石墨烯的超高中等热导率导致热量从蒸发表面快速传递到下方的水体中，导致大量的寄生热量损失和较低的光热利用效率。
在这项工作中，我们受到植被高效蒸腾过程的启发[25]，设计并合成了一种新型的集成自支撑太阳能蒸发器，通过在3D GA骨架上原位生长氮掺杂碳纳米管（N–CNTs）来实现。这种精细的GA框架具有出色的机械强度和可调的孔隙率，通过强大的毛细作用确保了快速且无障碍的水分传输，并有效防止了盐分积累。此外，密集生长且相互缠绕的N–CNTs显著增加了蒸发比表面积，并形成了多个光散射中心，实现了高效的光捕获。同时，原位生长的N–CNTs相比通过物理混合或简单表面涂层施加的N–CNTs具有更好的附着力和机械稳定性。GA与N–CNTs之间的协同作用建立了局部化的热微环境[26]。N–CNTs的相互渗透和交织网络通过阻碍跨边界声子的传输，实现了异常高的界面热阻。这种复杂的纳米结构导致热量流动路径长而曲折，有效抑制了热量对流，从而将宝贵的光热能量损失降到最低。结果，在1太阳光照条件下，开发的蒸发器实现了1.54 kg m-2h−1的出色蒸发速率，太阳能到蒸汽的转化效率达到了97%。此外，该蒸发器在真实海水条件下表现出优异的脱盐耐久性和抗盐性能，离子去除率超过99.9%。这种受植被启发的设计策略结合了一维N–CNTs和二维石墨烯的独特优势，构建了一种具有强光热效应的高性能太阳能淡化系统。
