水资源短缺是当代社会面临的严峻挑战。利用太阳能蒸发进行海水淡化，可以在降低化石燃料消耗的同时，产生清洁可饮用的淡水，这对于缓解水资源与能源危机都具有重要的意义。近年来，太阳能界面蒸发系统受到了广泛关注。尽管在太阳能转化效率方面取得了进展，但在海水淡化应用中装置的便携性以及蒸发过程的盐堵塞问题，仍是阻碍界面太阳能蒸发器发展的巨大挑战。

  基于此，南方科技大学材料系郭传飞课题组从折纸中获得灵感，选用形状记忆复合材料（交联聚环辛烯为基体，碳纳米管为填料）设计了高性能、可折叠兼具监测盐堵塞功能的柔性太阳能蒸发系统。该界面蒸发系统具有优异的形状记忆效应，可以折叠至原尺寸的1/9，并在使用时于阳光下按需自展开。此外，该界面蒸发系统通过监测电容信号，实现了实时、原位监测盐结晶和盐堵塞。由于其具有高的太阳能转换效率、良好的便携性和原位监测盐堵塞能力，这种新型的界面蒸发系统在海水淡化领域具有巨大的应用潜力。该工作以“Shape-Programmable Interfacial Solar Evaporator with Salt-Precipitation Monitoring Function”为题发表在《ACS Nano》杂志上。

图1. 形状记忆太阳能蒸发器的原理、制备和基本性能

  本工作中的形状记忆吸收体泡沫利用镍泡沫作为牺牲模板制备，镍泡沫的网络结构确保了吸收体泡沫的高互联性，保证了太阳能蒸发过程中水的运输（如图1所示）。形状固定率（R_f）和形状回复率（R_r）是描述形状记忆效应最重要的关键参数，该形状记忆泡沫保持了良好的形状记忆效应，R_f和R_r分别高达92%和93%。另外，该吸收体泡沫在300至2500nm光谱范围内吸收率高于97%，这得益于碳纳米管的高本征吸收率和多孔结构对光的多次反射。

  形状记忆蒸发器可对热刺激响应。实验中蒸发器被单层折叠，形成折纸。随着温度升高，该折纸可以实现自展开。如图2所示，在30°C时折纸保持折叠形状，在40°C时开始展开，最后在60°C时自动展平。该过程也可用有限元进行模拟，结果显示折纸的展开过程伴随着压缩应变的释放，压缩应变在展开结束时几乎为零。

图2. 折纸在不同温度下的形状回复过程

  该形状记忆蒸发器具有优异的光热转化能力，对光刺激可快速响应。如图3所示，双层折叠的蒸发器在光照下仅需10 s即可完全展开。展开的太阳能蒸发器在0.5、1、2和6个太阳的照射下蒸发纯水的速率分别为0.55、1.26、2.5和8.1 kg m^-2 h^-1，太阳能转化效率分别为59%、83%、88%和95%，表明随着光照强度的增加，光的转化率提高。另外，随着盐溶液浓度增加，蒸发速率会降低，该现象符合拉乌尔定律。

图3. 折纸在光照下的形状回复过程及其太阳能蒸发性能

  在海水淡化过程中，盐颗粒沉积会堵塞蒸发器中的水输送通道，导致太阳能蒸发性能下降。实际上，当蒸发器放置于海水上时，无法有效观察吸收体内部盐颗粒的沉淀。因此，有必要开发一个系统来实时监测盐沉淀。由于盐的沉淀与盐浓度密切相关，通过监测盐的浓度可以预测盐沉淀的发生。本工作通过监测吸收体泡沫-溶液界面形成的双电层的电容信号，可以精确测量界面的盐浓度变化。这是因为双电层的电容取决于界面面积和界面溶液的盐浓度，其中界面面积固定不变，因此电容信号仅随盐浓度变化。本工作为实时原位监测海水淡化中盐颗粒的结晶和沉积提供了一种简单有效的策略。

图4. 实时原位盐沉积的监测

  南方科技大学材料科学与工程系郭传飞副教授为论文唯一通讯作者，博士后赵玲玉为论文第一作者，南方科技大学为第一单位和通讯单位。该研究得到了国家自然科学基金、深圳市科学技术创新委员会、广东省珠江人才计划创新创业团队项目等项目的支持。

  原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c01294