近日，88038威尼斯材料工程学院袁占辉教授团队在国际材料类高水平SCI期刊Advanced Functional Materials (先进功能材料)上，在线发表了题为“3D Bioinspired Hair-Based Solar Evaporator for Efficient Water Harvesting”（用于高效海水淡化的3D头发基太阳能蒸发器）的创新性研究论文。88038威尼斯硕士研究生刘易为第一作者，团队负责人袁占辉教授为第一通讯作者。
界面太阳能热蒸发技术为解决全球水资源短缺危机提供了一种环保且前景广阔的策略。然而，开发兼具高光热转换效率和在高盐度条件下长期运行稳定性的蒸发器仍然是一项重大挑战。在此，本文提出了一种受黑体辐射原理启发的宽带光吸收与热转换策略，以提升太阳能蒸发性能。富含黑色素并表现出类黑体辐射特性的人发废弃物被用作模型系统。其固有的宽带光捕获与有利的热量分布特性、低热导率以及毛鳞片结构协同作用，提升了人发的热量利用效率。基于这些优势，我们构建了一种由垂直排列的黑发组成的三维太阳能蒸发器。该装置在15 wt.%盐水中实现了3.945 kg m?? h??的高蒸发速率并超过10天的稳定运行。此外，通过集成空心截锥反射器以优化光分布，蒸发速率进一步提升至5.172 kg m?? h??。值得注意的是，该系统表现出边缘优先盐结晶和自清洁行为，实现了连续脱盐与同步盐分收集。这项工作为光热材料设计提供了新的理论见解，并凸显了生物质资源在可持续水净化技术中的潜力。
图1.(a) 黑发、棕发和白发在黑体辐射条件下的光吸收、反射及热流特性示意图。(b) VBH-S 蒸发器的结构示意图。(c) 蒸发器内部的输水路径图解。
图2.(a) 黑发、棕发和白发的数码照片及扫描电镜（SEM）图像。(b) 人发分级微结构示意图，包括毛鳞片、皮质层和髓质层。(c) 黑发、棕发和白发的傅里叶变换红外光谱（FT-IR），对比分析其官能团组成的差异。(d) 黑发、棕发和白发的紫外-可见-近红外（UV-Vis-NIR）吸收光谱。
图3.(a) 基于黑发、棕发和白发的蒸发器在1倍太阳光强照射下的温度变化曲线。(b) 黑发、棕发和白发蒸发器照射后的红外热成像图。(c) 15 wt.%盐水中，在1.0 kW m??光强照射下，黑发、棕发和白发蒸发器的蒸发速率对比（黑发蒸发器的蒸发速率取自图4a中第7小时的蒸发速率）。(d) 完整黑发与去鳞片（无毛鳞片结构）毛发的隔热性能对比。(e) 差示扫描量热法（DSC）分析对比毛发中水与纯水的蒸发焓，突显该头发基系统的节能效应。
图4.(a) VBH-S蒸发器和BH-A蒸发器在15 wt.%盐水中，1.0 kW m??光强照射下的蒸发速率变化。(b) VBH-S蒸发器、BH-A蒸发器以及纯水在有无光照条件下的水质量变化对比。(c) BH-A蒸发器和VBH-S蒸发器在长时间运行后的表面形貌对比。(d) 本工作VBH-S蒸发器与已报道的多种蒸发器系统的蒸发速率对比。（e）VBH-S 蒸发器在15 wt.% 盐水中超过10天的长期运行稳定性。
图5.(a) VBH-S蒸发器和(b) BH-A蒸发器的模拟水压分布，阐释毛细驱动输水机制。(c) VBH-S蒸发器和(d) BH-A蒸发器内部水流速分布的有限元分析（FEA）。(e) VBH-S蒸发器和(f) BH-A蒸发器的有限元模拟温度场分布，突显热局域化差异。(g) VBH-S蒸发器和(h) BH-A蒸发器周边的盐分分布有限元模拟，揭示盐离子输运与结晶行为的差异性。
图6.(a) VBH-S 蒸发器在真实室外环境中部署的照片。(b) 海水在脱盐处理前后各种金属离子浓度，展示有效的离子脱除效果。(c) 户外运行期间，系统质量变化、太阳辐照度及温度的实时监测数据。(d) 配备截锥形铝制反射器的VBH-S蒸发器在1倍太阳光照下的质量随时间变化曲线。
总结
本研究成功开发了一种具有优异光热性能的垂直排列黑发基蒸发器（VBH-S）。该体系充分利用了黑发的固有优势，包括宽带光吸收、优异的热量分布、低热导率（0.0643 W m?? K??）以及分级的毛鳞片微结构，从而显著增强了热局域化与热利用效率。其机械耐用性、边缘优先结晶行为及自清洁能力，进一步凸显了该技术在实际应用与规模化推广方面的巨大潜力。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202510564
团队网站：acfm.fafu.edu.cn
作者简介:
袁占辉，88038威尼斯材料学院教授、博导，先进催化及功能材料校级团队的负责人。曾获吉林大学化学系本科和硕士学位，英国纽卡斯尔大学博士学位；入选福建省创新创业人才、福建省高层次人才B类、江苏省“西楚雄英”计划等。主要从事先进二维材料的制备及其在光电、光催、光热、海水淡化、电源、超级电容器和环境等领域的应用研究；片状无机晶体材料在效果颜料的应用及产业化研究；天然高分子材料在生物仿生、智能、胶粘剂等领域的应用研究；无机粉体材料、化学表面处理及天然胶粘剂的产业化研究。在Nat. Commun.、Energ. Environ. Sci.、Acc. Chem. Res.、Adv. Func. Mater.、ACS Nano、ACS Catal.、Nano Energy等国际高水平SCI学术期刊发表论文150余篇，其中约60篇IF>10、15篇IF>20，10篇入选ESI高被引论文。兼任Discover Sustainability、 International Journal of Materials Engineering & Technology、Academia Catalysis、Polymers等学术期刊的编委。