西安工程大学支超团队 Small：受莲蓬启发的具有出色耐盐性和机械性能的高效界面太阳能蒸汽发生器

2023-08-29 来源：高分子科技

通过使用界面太阳能蒸汽发生器（ISSG），利用太阳能对海水进行淡化以获得清洁水是缓解全球清洁水短缺的有效方法。目前，研究者们已经开发了多种光热转换材料（包括生物质材料，碳基材料，金属纳米颗粒，无机半导体和有机高分子材料等）用于制备ISSG，并通过合理的结构设计进一步提升其海水淡化性能。

然而，ISSG的结构设计仍面临一些共同的挑战：首先，ISSG的表面通常是平面，导致较低的光吸收率；其次，大多数ISSG缺乏定向输水功能，导致向ISSG的气液界面供水量不足，影响ISSG的持续蒸发能力；最后，ISSG还面临着蒸发过程中盐的结晶和积累阻碍水分输送、机械强度弱及结构易坍塌等挑战，现阶段被广泛研究的ISSG难以同时应对上述挑战。因此，需要进一步开发集优异的光吸收、快速的水输送、良好的机械性能和耐盐性于一体的高性能ISSG。

西安工程大学支超团队受莲蓬的天然结构启发，结合专业优势设计并织造出具有底层小孔和上层大孔并由间隔丝层相互连接的特殊结构的经编间隔织物，随后将等离子体处理的经编间隔织物（PSF）与海藻酸钠（SA）和还原氧化石墨烯（rGO）结合，制备出一种新型的具有莲蓬仿生结构的ISSG（rGO-SA-PSF），如图1所示。rGO-SA-PSF在1 kW m^-2光照强度下具有优异的海水淡化性能，同时兼具优秀的机械性能及耐盐性，在太阳能驱动的水蒸发、海水淡化和废水处理领域具有广阔的应用前景。

在本项研究中，rGO-SA-PSF通过PSF独特的底层小孔产生的莲蓬根状芯吸作用实现快速泵水，并通过亲水性气凝胶包覆经等离子体处理的间隔丝所构建出的多条定向输水通道实现高效输水。此外，由PSF独特的上层大孔形成的类莲蓬头的凹陷孔洞可以有效地吸收太阳光。

图1 rGO-SA-PSF的仿生制备

rGO-SA-PSF的物理特性和化学结构如图2所示，经等离子体处理后，间隔丝几乎完全被气凝胶包覆，这确保了莲蓬茎状输水通道的成功构建，且低水接触角有利于水沿着输水通道快速输送到rGO-SA-PSF表面；同时，rGO-SA-PSF表面许多规则排列的凹陷孔洞确保了莲蓬头状表面结构的成功构建，且气凝胶的亲水性和PSF的表面粗糙度及多孔结构保证了rGO-SA-PSF的超亲水性。

图2 rGO-SA-PSF的物理特性和化学结构

rGO-SA-PSF独特的凹孔表面结构和大量定向输水通道有利于对光的吸收和水分向其表面的快速输送（图3），这使得rGO-SA-PSF的光吸收率高达95.6%，在4秒内达到36.5 g g^-1的饱和吸水性。此外，得益于PSF的引入，rGO-SA-PSF的压缩模量为90.8 kPa，同时还表现出良好的柔韧性和弹性恢复能力。

图3 rGO-SA-PSF的光热、水管理和机械性能

rGO-SA-PSF的太阳能驱动水蒸发和海水淡化性能如图4所示，在1 kW m^-2的光照强度下，rGO-SA-PSF的蒸发速率和蒸发效率分别为1.85 kg m^-2 h^-1和96.4%。同时，rGO-SA-PSF对不同光照强度表现出优异的蒸发稳定性和适应性。与以往文献报道的大多数基于rGO的ISSG相比，rGO-SA-PSF具有性能优势。此外，rGO-SA-PSF在模拟海水溶液（3.5wt % NaCl溶液）和人工海水中也能保持良好的蒸发性能。与rGO-SA相比，rGO-SA-PSF在光吸收性能、输水性能、机械性能、蒸发速率和蒸发效率等方面都得到了全面改善。

图4 rGO-SA-PSF的太阳能驱动水蒸发和海水淡化性能

在耐盐和自脱盐实验中（图5），rGO-SA-PSF的蒸发速率和效率在模拟死海水溶液（10 wt% NaCl溶液）中连续脱盐10 h后仍保持较高水平（1.77 kg m^-2 h^-1和92.4%），在以3.5 wt% NaCl溶液为水源的10次自脱盐循环过程中也具有稳定的蒸发效率，表现出优异的耐盐性和自脱盐性。在户外实验中，本文搭建了一个简易的太阳能驱动淡水收集装置，该装置在一天内（9：00-17：00）可收集高达8.35 kg m^-2的清洁水，且在不同天气条件下都表现出较高的集水量，收集的水能够达到饮用标准。

图5 rGO-SA-PSF的耐盐性、自脱盐性及在户外实验下的海水淡化性能

在本研究中，rGO-SA-PSF对模拟工业废水和纺织染料废水也表现出良好的净化效果，在酸性或碱性条件下还具有平衡pH的潜力（图6）。

图6 rGO-SA-PSF的太阳能驱动废水净化性能

综上，本研究提出的具有莲蓬仿生结构的ISSG为实现高效稳定的海水淡化和废水净化提供了一种创新解决方案。基于其在光热、输水和力学等方面优异的综合性能，具有该种仿生结构的ISSG在太阳能驱动的水蒸发、海水淡化以及废水处理等领域具有巨大的应用潜力。

相关研究以A Lotus Seedpods-Inspired Interfacial Solar Steam Generator with Outstanding Salt Tolerance and Mechanical Properties for Efficient and Stable Seawater Desalination为题发表在重要期刊Small上（DOI：10.1002/smll.202304877）。论文第一作者为西安工程大学纺织科学与工程学院硕士研究生马浩东，共同第一作者为西安工程大学余灵婕副教授，通讯作者为西安工程大学支超副教授。西安工程大学孟家光教授、宋庆文高工、刘亚明博士、王永臻副教授、吴倩博士、硕士研究生李珍珍、陈江龙以及澳大利亚墨尔本大学苗孟河研究员参与了相关研究工作。感谢国家自然科学基金、陕西省重点研发计划、陕西省创新能力支撑计划、陕西高校青年杰出人才支持计划项目等对本工作的大力支持。

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202304877

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（责任编辑：xu）

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