陕科大王成兵教授团队 Small：一种用于稳定饱和盐水淡化的极耐盐水凝胶基太阳能蒸发器

2025-03-07 来源：高分子科技

近期，陕西科技大学材料科学与工程学院王成兵教授团队通过采用一锅原位策略和定向冷冻方法，创新地设计了具有定向垂直通道结构(FCHE-VP)的壳聚糖水凝胶蒸发器。通过定向冷冻形成的垂直通道结构，盐离子可以迅速返回，而蒸汽可以无障碍地溢出，使蒸发器能够同时实现高蒸发速率和出色的耐盐性。在 3.5 wt% 的模拟海水中，在1个太阳光照强度下实现了 3.25 kg m^-2 h^-1 的蒸发速率。更重要的是，即使在饱和盐水（盐度为 26.47 wt%）中，也能实现极强的耐盐性，在连续蒸发 8 小时以上，蒸发器表面没有盐晶体积累，并且在一个1个太阳光照强度下具有 2.83 kg m^-2 h^-1 的优异蒸发速率，为解决水凝胶在蒸发过程中高蒸发速率和耐盐性相互排斥的困境提供了新思路，同时提高了用于高盐度海水淡化的水凝胶蒸发器的实用性。该工作以"An Extremely Salt-Resistant Hydrogel-Based Solar Evaporator for Stable Saturated Brine Desalination"为题发表在《Small》。王成兵教授为论文通讯作者，硕士研究生靳晶晶第一作者，陕西科技大学为唯一署名单位。

图1 垂直通道蒸发器的优点示意图。a）FCHE?RP 具有随机孔隙结构的常规太阳能蒸发器原理图（左）。缺乏足够的水传输会导致盐沉积在蒸发表面，最终阻止蒸汽逸出（右）。b）新型垂直排列结构的FCHE-VP太阳能蒸发器原理图，同时实现了快速的水输送和耐盐性（左）。充足的水传输允许在高盐度盐水中实现出色的长期耐盐性，同时实现高效的蒸汽逸出（右）。

图2 FCHE?VP 水凝胶的构建和表征。a）FCHE-VP 的图解（上）和FCHE-VP顶部表面的光学照片（下）。b, c） FCHE-VP 横截面的 SEM 图像。d）水凝胶孔壁的 SEM 图像。e, f） FCHE-VP 纵截面的 SEM 图像。g, h） FCHE-VP 的 SEM 图像和相应的 EDS 图谱显示Fe 元素均匀分布在 FCHE-VP 中。i） CHE-VP、FCHE-VP₄ 和 FCHE-VP₇ 的 XRD 和 j） FTIR 图谱。k） CHE-VP、FCHE-VP₄、FCHE-VP₇ 和 FCHE-VP₁₀ 的 XPS 图。

图 3. FCHE?VP 水凝胶的机械性能和水传输。a）干燥的 FCHE-VP 放置在叶片上的光学照片。b, c) FCHE?VP 水凝胶的压缩回弹性和压缩应力-应变曲线。d） FCHE-VP 水凝胶的弯曲和折叠性能。e） CHE-VP、f） FCHE-VP 和 g） FCHE-RP 水凝胶的水接触测试。

基于水凝胶的太阳能蒸发器因其通过降低蒸发焓的“水活化”效应而具有出色的蒸发性能，受到研究者广泛关注。然而，当前的挑战是在高蒸发速率和耐盐性之间进行权衡。该工作是团队近期关于解决水凝胶在蒸发过程中高蒸发速率和耐盐性相互排斥困境的最新进展之一。淡水危机引发了人们高效获取淡水的需求，为此团队长期致力于高效太阳能界面蒸发器的研发。近年来，团队开发了一系列高效的太阳能界面蒸发器，在Energy Environ. Sci.,Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Nano Today, Adv. Funct. Mater., Nano Energy，Small等期刊发表论文50余篇。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202411624

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（责任编辑：xu）

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