成都理工大学李小可课题组CEJ：多维复合仿生蒸发器同时实现高界面蒸发速率和连续耐盐性

第一作者：邹列（成都理工大学）

通讯作者：李小可，吴小虎

通讯单位：成都理工大学材料与化学化工学院（锂资源与锂电产业学院）

【成果简介】

近日，成都理工大学李小可课题组与山东高等技术研究院吴小虎教授合作，在期刊《Chemical Engineering Journal》（IF:13.3，中科院1区TOP）发表了题为“Achieving highly interfacial evaporation rate and continuous salt resistance simultaneously via multi-dimensional composite biomimetic evaporator”的研究论文。受自然界中的耐盐植物柽柳能在高盐度地区生长并能通过盐排出多余的盐启发，构筑了一种二维材料碳布与三维材料水凝胶结合，并有效分隔蒸发层与水传输层的仿生结构蒸发器（PVA-PA/MnO2@CC）。该研究通过实验和数值模拟相结合的方式共同探讨了复合蒸发器的光吸收、水传输和热局域性能，实现高效太阳能蒸发和海水淡化。

【研究背景】

目前，水资源短缺已成为公众关注的一个重要问题。太阳能界面蒸发（SIE）无疑是极具前景的水净化技术，它可以通过光热材料实现对清洁、丰富的太阳能的捕获，并通过相关设备蒸发界面对海水、苦咸水、各种废水等各种非常规水源进行淡水资源的收集。二维（2D）光热材料的运用可以有效吸收宽光谱的光并在水-空气界面形成一层薄水膜，从而增强SIE的性能。然而，这种 2D 蒸发系统具有有限的蒸发表面积和较弱的热局部化，限制了蒸发速率和产水量的进一步提高。最近，三维（3D）蒸发器被开发并应用于太阳能光热蒸发，通过提供更大的蒸发面积将大量水输送到3D结构表面来提高蒸发速率。这种超越2D蒸发的3D结构可以通过构建柔性2D基材（如碳布（CC））的多级分层结构来制。还能够通过选择3D骨架（如气凝胶、水凝胶、泡沫和生物质材料）来制备。然而，盐分积累、受限制的水传输和3D材料的不均匀表面分布会导致蒸发系统的额外能量损失，从而削弱3D界面蒸发的优势。

受柽柳（Tamarisk）特殊的水分运输和盐分分泌机制的启发，这项研究提出了一种集成2D和3D材料的新型多维复合仿生蒸发器。制备了聚乙烯醇-植酸（PVA-PA）水凝胶模拟Tamarisk的根。该水凝胶具有微观多孔结构，用于建立水传输通道，同时隔离盐分。此外，在CC上通过水热法生长出MnO2纳米颗粒，以此模拟类似于在Tamarisk中观察到的“花序”的结构。这种结构设计可以有效地扩大蒸发面积，同时，“花序”也会使材料形成多级反射结构。与纯CC相比，这种仿生设计有效地将蒸发界面从2D转移到3D，同时局部表面等离子体共振效应（LSPR）显着增强了光吸收能力，其LSPR效应通过模拟分析也得到了很好的证实。将PVA-PA水凝胶与MnO2@CC组装后，成功制备出了仿生PVA-PA/MnO2@CC太阳能蒸发器。其具有出色的热局域性能，实验以及模拟结果都很好的显示出其优异的光热转换以及热定位能力。这归功于独特的结构设计，从而有效的将蒸发层和水传输层分隔，进一步减少热损失。在1个太阳光强（1 kW⋅m-2）下，其蒸发率为3.19 kg⋅m-2⋅h-1，蒸发效率为94.1%。此外，该系统还表现出出色的抗盐性，在高盐水浓度条件（20 wt.%）下连续蒸发6小时后，盐颗粒在蒸发器表面的沉积非常小，主要位于蒸发界面的外围。这是由于马兰戈尼效应的作用增强了水传输并加速盐颗粒的回溶。该仿生结构太阳能蒸发器具有高效稳定的海水淡化能力，相信这种多维复合仿生蒸发器将在SIE技术领域做出有价值的贡献。

图1. PVA-PA/MnO2@CC蒸发机理示意图。

【内容详情】

图2. 复合蒸发器的制备流程图。

图3. (a) 多维仿生蒸发器实物图；(b-e) MnO2@CC 和 PVA-PA 的SEM图像；(f) 光吸收层的FTIR图像；(g) CC和MnO2@CC的XRD图像。

图4. (a)紫外-可见-近红外测试结果和 AM1.5 太阳辐射光谱；(b) FDTD 光学模拟计算结果；(c) LSPR 效应机制示意图；(d-e) 420 nm 和 540 nm 波长处的电场增强分布。

图5. (a) TM 极化时光谱吸收率随入射角θ的变化；(b) 入射角分别为0°（垂直入射）和60°（倾斜入射）时的吸收曲线。

图6. (a) PVA-PA和MnO2@CC的导热系数和接触角测试；(b) PVA-PA/MnO2@CC复合蒸发器的温度分布结果；(c) 复合蒸发器表面1小时的红外热成像测试结果；(d-e) 空气域、蒸发器和下方散水的模拟温度分布随时间变化的示意图。

图7. (a) 不同蒸发表面的质量变化；(b) 蒸发速率和蒸发效率；(c) PVA-PA/MnO2@CC与之前报道的蒸发器的性能比较；(d) 不同盐水下的质量变化；(e) 盐水条件下的蒸发率速和蒸发效率；(f) 耐盐性能测试。

图8. (a) 循环性能测试；(b) 不同浓度盐水淡化前后的TDS；(c) 真实海水中离子浓度的变化。

Lie Zou, He Zhang, Qian Chen, Size Zheng, Ning Chen, Xiaohu Wu, Xiaoke Li, Achieving highly interfacial evaporation rate and continuous salt resistance simultaneously via multi-dimensional composite biomimetic evaporator, Chemical Engineering Journal, 2024.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155762

第一作者

邹列，成都理工大学材料与化学化工学院2022级硕士研究生，邮箱：xiaorumian@163.com

通讯作者

李小可，成都理工大学副教授，硕士生导师，博士后，主要从事太阳能光热转换与太阳能热利用技术相关领域的研究。截止目前共发表SCI论文及中文核心期刊论文40余篇，总他引次数超过1000次，H指数为15，并有多篇论文入选ESI热点论文和高被引论文。邮箱：xiaokeli319@126.com

吴小虎，山东高等技术研究院研究员，中国青年五四奖章获得者，全国“青马工程”科技班学员，山东省优青，山东省泰山学者青年专家，国际传热传质中心科学理事会成员，山东省青年科学家协会成员，全球前2%顶尖科学家（2023）。主要从事辐射换热、太阳能光热利用、微纳光子学等领域的研究，发表学术论文100余篇。邮箱：xiaohu.wu@iat.cn