全球數(shù)十億人仍然無法獲得充足和清潔的淡水。從鹽水中進(jìn)行太陽能淡化被認(rèn)為是解決這一嚴(yán)重危機(jī)的最有希望的建議之一。然而，迄今為止，大多數(shù)報(bào)道的蒸發(fā)器仍然存在由于鹽結(jié)晶在其表面積累而導(dǎo)致蒸發(fā)率下降的問題。最近，東華大學(xué)丁彬研究員、武漢大學(xué)鄧紅兵教授科研團(tuán)隊(duì)受蘆葦葉的血管組織結(jié)構(gòu)、蒸騰作用和防污功能的啟發(fā)，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了具有平行排列的血管和疏水表面的仿生分層納米纖維氣凝膠，用于高效和耐鹽的太陽能海水淡化。
可折疊的血管壁和柔軟的二氧化硅納米纖維使受蘆葦葉啟發(fā)的納米纖維氣凝膠 (R-NFAs) 具有優(yōu)異的機(jī)械性能，并使它們能夠承受反復(fù)壓縮。此外，R-NFAs 可以有效地吸收陽光（光吸收效率：94.8%）并將鹽水蒸發(fā)成蒸汽，類似于蘆葦葉（蒸發(fā)率：1個(gè)太陽下 1.25 kg m–2 h–1）。更重要的是，通過疏水表面和平行排列的容器，R-NFAs 可以在高強(qiáng)度光（高達(dá)6個(gè)太陽光）下在高濃度鹽水（飽和，26.3 wt%）中穩(wěn)定工作，表現(xiàn)出強(qiáng)大的耐鹽性。
預(yù)計(jì)具有組合抗鹽孔和表面結(jié)構(gòu)的 R-NFA 將為抗鹽太陽能海水淡化提供設(shè)計(jì)概念。相關(guān)論文以題為Reed Leaves Inspired Silica Nanofibrous Aerogels with Parallel-Arranged Vessels for Salt-Resistant Solar Desalination發(fā)表在《ACS Nano》上。
主圖
圖 1. (a) 傳統(tǒng)太陽能蒸發(fā)器的光吸收、水傳輸、蒸汽產(chǎn)生和鹽結(jié)晶。(b) 蘆葦葉的微觀結(jié)構(gòu)和疏水性。(c) 蘆葦葉的光吸收、水傳輸、蒸汽產(chǎn)生和耐鹽性啟發(fā)了納米纖維氣凝膠（R-NFA）。
圖 2. (a) R-NFAs 制造過程示意圖。(b-d) 具有不同放大倍數(shù)的 R-NFA 的分級(jí)多孔微結(jié)構(gòu)。(e) R-NFA 的壓縮和回彈。(f) R-NFA 的光吸收和疏水性。(g) R-NFAs 產(chǎn)生的蒸汽在自制冷凝水收集示范系統(tǒng)的冷凝水殼上冷凝。
圖 3. (a) SNA 隨應(yīng)變?cè)黾拥膽?yīng)力-應(yīng)變曲線。(b) 500 次循環(huán)壓縮試驗(yàn)，應(yīng)變?yōu)?60%。(c) 500 次循環(huán)壓縮試驗(yàn)中最大應(yīng)力、能量損失系數(shù)和楊氏模量的變化。(d) R-NFA 的粘彈性。
圖 4. (a) R-NFA 和 W-NFA 的 UV-vis-NIR 吸收光譜。(b, c) R-NFA 和 W-NFA 在空氣中 1s 太陽光下的光熱轉(zhuǎn)換性能。(d, e) 1sun 下蒸發(fā)器從 0 到 30 分鐘的溫度分布和變化。(f, g) 不同光強(qiáng)下30 min后蒸發(fā)器的溫度分布及變化。
圖 5. (a) R-NFAs 和純水在 1 個(gè)太陽下隨時(shí)間推移的累積質(zhì)量損失。(b) R-NFAs 和純水的蒸發(fā)率在 1 個(gè)太陽下隨時(shí)間變化。(c) R-NFA 在 1 個(gè)陽光下的可重用性。(d) R-NFAs 上表面和底層的水接觸角。(e) R-NFAs 在不同濃度鹽水中的蒸發(fā)速率。(f) R-NFA 和 B-NFA 在 6 太陽下在飽和鹽水中隨時(shí)間的蒸發(fā)速率。(g, h) 數(shù)碼照片顯示了 R-NFA 的強(qiáng)抗鹽性和 B-NFA 的鹽積累。(i) R-NFAs 和報(bào)告的蒸發(fā)器的耐鹽性比較。Copt 表示氙燈的光集中系數(shù)。
總結(jié)
受蘆葦葉結(jié)構(gòu)和功能的啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種二氧化硅納米纖維氣凝膠蒸發(fā)器，該蒸發(fā)器模仿平行排列的維管組織和蘆葦葉的疏水表面，以在高濃度鹽水中的高強(qiáng)度光下實(shí)現(xiàn)耐鹽性。受益于這種仿生結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，R-NFAs 可以在高濃度鹽水中工作而不會(huì)出現(xiàn)任何衰退，即使是在6個(gè)太陽下的飽和鹽水（26.3%）。此外，由于 94.8% 的高效光吸收特性，R-NFAs 在 1 個(gè)太陽下實(shí)現(xiàn)了 1.25 kg m-2 h-1 和 6.77 kg m-2 h-1 在 6 個(gè)太陽下的蒸發(fā)率。憑借可折疊的血管壁和柔性二氧化硅納米纖維，R-NFA 表現(xiàn)出強(qiáng)大的機(jī)械性能。在 500 次壓縮循環(huán)后，它們可以保持完整，只有大約 20% 的輕微塑性變形。團(tuán)隊(duì)期待這種模擬蘆葦葉的分層蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠?yàn)楹Ｋ?、廢水處理和太陽能收集等領(lǐng)域帶來巨大的啟發(fā)。
