全球數(shù)十億人仍然無法獲得充足和清潔的淡水。從鹽水中進行太陽能淡化被認為是解決這一嚴重危機的最有希望的建議之一。然而，迄今為止，大多數(shù)報道的蒸發(fā)器仍然存在由于鹽結晶在其表面積累而導致蒸發(fā)率下降的問題。最近，東華大學丁彬研究員、武漢大學鄧紅兵教授科研團隊受蘆葦葉的血管組織結構、蒸騰作用和防污功能的啟發(fā)，該團隊設計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)異的機械性能，并使它們能夠承受反復壓縮。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 可以在高強度光（高達6個太陽光）下在高濃度鹽水（飽和，26.3 wt%）中穩(wěn)定工作，表現(xiàn)出強大的耐鹽性。
預計具有組合抗鹽孔和表面結構的 R-NFA 將為抗鹽太陽能海水淡化提供設計概念。相關論文以題為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)生和鹽結晶。(b) 蘆葦葉的微觀結構和疏水性。(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 的分級多孔微結構。(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 隨應變增加的應力-應變曲線。(b) 500 次循環(huán)壓縮試驗，應變?yōu)?60%。(c) 500 次循環(huán)壓縮試驗中最大應力、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 個太陽下隨時間推移的累積質(zhì)量損失。(b) R-NFAs 和純水的蒸發(fā)率在 1 個太陽下隨時間變化。(c) R-NFA 在 1 個陽光下的可重用性。(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間的蒸發(fā)速率。(g, h) 數(shù)碼照片顯示了 R-NFA 的強抗鹽性和 B-NFA 的鹽積累。(i) R-NFAs 和報告的蒸發(fā)器的耐鹽性比較。Copt 表示氙燈的光集中系數(shù)。
總結
受蘆葦葉結構和功能的啟發(fā)，團隊構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度光下實現(xiàn)耐鹽性。受益于這種仿生結構的優(yōu)勢，R-NFAs 可以在高濃度鹽水中工作而不會出現(xiàn)任何衰退，即使是在6個太陽下的飽和鹽水（26.3%）。此外，由于 94.8% 的高效光吸收特性，R-NFAs 在 1 個太陽下實現(xiàn)了 1.25 kg m-2 h-1 和 6.77 kg m-2 h-1 在 6 個太陽下的蒸發(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)出強大的機械性能。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。團隊期待這種模擬蘆葦葉的分層蜂窩結構設計能夠為海水淡化、廢水處理和太陽能收集等領域帶來巨大的啟發(fā)。
