坚韧、抗菌、可回收的水凝胶具有树干启发的核心鞘结构，可实现全天候高效脱盐

NEWS

研究背景

全球淡水资源稀缺问题日益严重，海水淡化技术被视为缓解这一危机的有效手段。传统的海水淡化方法存在一定的局限性，而界面太阳能蒸发（ISE）技术因其可持续性而备受关注。该技术的关键在于提高蒸发速率，目前已有研究实现了较高的光热转换效率和较低的蒸发焓，从而提升了蒸发速率。

ISE蒸发器的发展重点在于提高太阳能到蒸汽（STV）的转换效率，尤其是在低光强度下的效率。三维（3D）蒸发器相较于二维（2D）蒸发器，具有更高的STV转换效率，但面临水传输能力、蒸发焓、机械性能和抗菌能力等多方面的挑战。总结而言，当前ISE蒸发器的研究进展包括：提高了光热转换效率和降低了蒸发焓，实现了较高的蒸发速率。在低光强度下提高STV转换效率是当前的研究重点。3D蒸发器展现出更高的STV转换效率，但需解决水传输、机械性能和抗菌能力等问题。长期稳定和高效蒸发的要求促使研究人员开发具有优异性能的水凝胶材料。未来，开发具有高STV转化效率、良好机械性能、抗菌能力和可回收性的3D蒸发器，将是解决全球淡水短缺问题的关键。

受树木结构启发，本文研究开发了一种以海藻酸钠（SA）和芳纶纤维（AF）为原料的水凝胶蒸发器，其具有AF支撑的分层通道结构和致密硫化铜（CuS）层，赋予蒸发器高机械强度、强大的水输送能力以及高效的光热转换，实现了在1.0太阳光下2.25 kgm-2h-1的高蒸发率。作为3D蒸发器，它在不同光强度下表现出全天高效蒸发性能，室外测试显示在0.2和0.8 的光强照射下，蒸发速率分别为7.47 kgm-2h-1和12.60 kgm-2h-1。此外，Cu2+的高抗菌效率和可逆物理交联结构确保了蒸发器的长期稳定性和可回收性，为实用水凝胶蒸发器的设计和开发提供了重要参考。

相关成果以“Tough, antimicrobial, recyclable hydrogel with tree-trunk-inspired core‐sheath structure for efficient all-day desalination”为题发表在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》（JCR一区，中科院一区）上。

NEWS

研究内容

图1.(a) 水凝胶蒸发器的制造过程。(b) SA/AF 气凝胶、(c) SFH-S1、(d) SFH-S3 和 (e) SFH-S5 蒸发器（插图为蒸发器照片）表面的扫描电镜图像。(f-g）SFH-S5 横截面的 SEM 图像。(h) SFH-S5 的 EDS 图谱。(i）不同样品的 XPS 光谱；（j）SFH-S5 的 XRD 光谱；（k）SFH-S1 和 SFH-S5 的 EDS 光谱。

图2.(a) 所有样品（SFH-S1、SFH-S3、SFH-S5 和 SFH-S7）在 AM 1.5G 太阳光谱下的紫外-可见-近红外光谱。(b) 在 1.0 太阳光照射下，所有样品表面随时间变化的温度曲线。(c) 所有样品的热导率。(d) SFH-S5 在 1.0 太阳光照射下不同时间的红外热图像。(e) SFH-S5 在水中浸泡前后的压缩应力-应变曲线。(f) SFH-S5 表面动态接触角的照片。(g) 水运输过程中不同高度的干 SFH-S5 的红外热图像。(h) 不同高度 SFH-S5 上表面滤纸的吸水照片。

图3.(a) SFH-S1、SFH-S3、SFH-S5 和 SFH-S7 在 1.0 太阳光强下的质量变化和蒸发率。(b) SFH-S5 在不同日照强度下的温升曲线。(c) SFH-S5 的纯水、表面和内部物质的 DSC 曲线。(d) 本研究制备的蒸发器的蒸发率和 STV 转换效率与文献报道的蒸发器的蒸发率和 STV 转换效率的比较。(e) 在 1.0 太阳光强下，SFH-S5 被压缩到不同程度后的质量变化和蒸发率。(f) SFH-S5 在 1.0 太阳下被压缩至 40%应变不同次数后的蒸发率。(g) SFH-S5 在纯水和不同浓度的盐水中的质量变化和蒸发率。(h) SFH-S5 在 10 wt%盐水中 1.0 阳光下 10 小时的质量变化和蒸发率，插图为 SFH-S5 蒸发前后的照片。(i) 1.0 阳光光强下 SFH-S5 表面盐分溶解的照片。

图4.(a) 三维蒸发器装置示意图。(b) 不同高度的 SFH-S5 在室外蒸发水的质量变化和 (c) 蒸发率与时间的关系。(d) 不同高度的 SFH-S5 在暗处蒸发水的质量变化。(e) 不同高度 SFH-S5 的实时蒸发率和光照强度与时间的关系。(f) 三维蒸发器的补偿蒸发过程示意图。(g) 太阳位于地平线 26°、58° 和 84°时，不同高度 SFH-S5 的红外热图像。

图5.(a) 再生 SFH-S5 的制造过程示意图。(b) SFH-S5 蒸发器破损和回收后的照片。(c) 回收不同时间后蒸发器表面和横截面的扫描电镜图像。(d) 原始 SFH-S5 和回收不同时间后 SFH-S5 的应力-应变曲线和 (e) 蒸发水的质量变化和 (f) 蒸发率。

图6.(a) 用于培养大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的琼脂平板的数码照片。(b) SFH-S5 蒸发器对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率。(c) SA 水凝胶和 SFH-S5 蒸发器在天然湖水中浸泡不同时间的照片。

图7.SFH-S5 蒸发器室外蒸发装置 (a) 二维和 (b) 三维阵列的照片，以及随着时间推移容器内表面相应的水蒸气凝结情况。(c) 环境温度和相对湿度，(d) 室外太阳光通量变化。(e) 二维蒸发器和 (f) 三维蒸发器的蒸发率和 12 小时产水量。(g-h) 二维蒸发器和三维蒸发器产生的水的离子浓度。

NEWS

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156400

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！