福建农林大学袁占辉团队：用于高效太阳能海水淡化的3D气凝胶蒸发器的仿生微结构

【研究背景】

淡水资源短缺是全世界关注的问题。尽管传统的海水淡化工艺，如反渗透、多级闪蒸、多效蒸馏和蒸汽压缩蒸馏等，具有高效性，但它们也伴随着一定的环境影响。因此，人们逐渐转向使用可再生能源为海水淡化厂提供动力。太阳能作为一种清洁、可持续且环保的能源，成为最可行的选择。基于太阳能的界面蒸发系统因其固有的可持续性，在海水淡化和废水处理领域受到了广泛关注。然而界面蒸发器在实际应用中，如何实现热管理、水传输以及耐盐性能的协同优化一直是亟待解决的难题。

为此，福建农林大学袁占辉教授课题组从集合热管理、水传输以及耐盐性能角度出发，构建了一种基于仿生学的三维气凝胶蒸发器。此研究受海草薄壁细胞与维管束的排列结构启发，将海藻酸钠（SA）和还原氧化石墨烯（rGO）形成的气凝胶（SrGA）以阵列方式垂直排列，构建了一种三维界面蒸发器（SrGAE）。其核心创新点如下：（1）SrGAE垂直排列的仿生宏观结构，与传统蒸发器相比，成功地缩短了输水距离并显著扩大了盐排放通道。这一结构优势通过理论计算得到了充分验证。（2）SrGA中丰富的含氧官能团(-OH、-COOH) 有助于活化水分子，提高中间水 （IW） 比率，降低蒸发焓（1031 J g-1），仅为理论值的43%。（3）通过SrGAE的低热导率与蒸发冷却效应的协同作用，实现了热局域化和对环境能量的有效捕获，从而大幅提高了太阳能利用率。实验结果表明，SrGAE在20 wt.%高浓度盐水中连续运行8小时，蒸发界面无盐分积累，且最高蒸发速率达到3.7 kg m-2 h-1，光热转换效率高达106%。此外，SrGAE在染料去除和实际海水淡化中也表现出优异的性能，展现了其在水处理领域的广泛应用前景。

相关内容以“Bio-inspired Micro-architecturing of 3D Aerogel Evaporator for Highly Efficient Solar Seawater Desalination”为题在国际能源领域著名期刊《Nano Energy》(中科院一区, Top，IF= 16.8) 上发表。文章第一通讯作者为福建农林大学袁占辉教授，第一作者为福建农林大学硕士研究生马谏求实。

【图文速览】

图1. SrGAE示意图

图2.（a）SrGAE的制备过程示意图；SA/rGO 气凝胶的 SEM 图像（b）表面、（c）侧面、（d）横截面和（e）放大形态；（f）SA/rGO 气凝胶、SA 和 rGO 的 FT-IR 光谱；（g）SA/rGO 气凝胶的水接触角测量。

图3.（a）通过在表面放置pH试纸展示BAE和SrGAE-1的水分传输性能；(b) BAE与SrGAE的水分传输速度示意图；(c) BAE和SrGAE的压力分布模拟结果；(d) BAE和SrGAE的水流速率分布数值模拟结果。

图4.（a）BAE和SrGAE-1在1倍太阳光照条件下的蒸发速率；(b) BAE与SrGAE-1样品在20 wt.% NaCl溶液中表面拒盐图片；(c) 纯水以及BAE和SrGAE-1在20wt.% Nacl溶液中60min内的质量变化；(d) BAE与SrGAE-1在3.5 wt.%盐水的盐溶解测试图；（e）BAE和SrGAE-1的盐度分布数值模拟结果；（f）纯水以及SrGAE-x（x=1，2，4）在20wt.%溶液中60min内的质量变化；（g）SrGAE-x（x=1，2，4）在1倍太阳光照条件下的蒸发速率。

图5. (a) SA/rGO气凝胶的紫外-可见-近红外吸收光谱；(b) SrGAE-1（0.5 cm）在1个太阳光照下10分钟内的表面温度变化红外图像；(c) SrGAE-1（0.5 cm）与环境之间的能量交换示意图；(d) 在1个太阳光照下，置于水面的SrGAE-1（0.5 cm）的水、顶部和侧面的温度变化；(e) SrGAE-1（0.5 cm）的温度分布数值模拟结果。

图6. (a) SrGAE-1（0.5cm）在20 wt.% NaCl溶液中的蒸发速率和蒸发效率；(b) SrGAE-1中水的拉曼光谱；（c）纯水和SrGAE-1中水的DSC曲线；(d) 纯水和SrGAE-1中水在黑暗条件下的质量变化和蒸发焓；(e) SrGAE-1（0.5cm）与其他气凝胶蒸发器的蒸发效率和蒸发速率比较；（f）SrGAE-1（0.5 cm）在不同盐浓度下的蒸发速率；（g）SrGAE-1（0.5 cm）在10 wt.% NaCl溶液中进行十天循环测试的蒸发速率变化；SA，rGO和SrGA（h）TG曲线和（i）DTG曲线。

图7. （a）MO溶液和（b）RhB溶液蒸发前后的紫外-可见吸收谱图。（c）户外实验中海水质量变化，光照强度以及室外温度随时间的变化（2023年11月3日）；(d) 蒸发装置侧视和俯视图；（e）海水淡化前后K+，Na+，Mg2+和Ca2+浓度变化；（f）SrGAE-1在不同水源中的蒸发速率。

【文章总结】

本文受海草的薄壁细胞和维管束细胞排列结构启发，构建了具有垂直水通道和额外排盐通道的三维气凝胶界面蒸发器。旨在实现界面蒸发器使用过程中热管理、水传输以及耐盐性能的协同优化，为提高海水淡化效率提供新思路。

1. 仿生宏观结构缩短水传输距离，增强水对流。同时气凝胶间的不完全嵌合结构提供了排盐通道，可以减少盐分积累。通过理论计算验证了结构的优势。

2. 低导热系数的气凝胶和具有宽光谱吸收能力的rGO使得蒸发器在具有良好的光热转化能力之外还有良好的热局域化能力。

3. 合理调整三维气凝胶界面蒸发器露出水面高度，可以实现对环境能量的捕获，提高蒸发效率。

4. 三维气凝胶界面蒸发器中的亲水基团可以使水活化，降低水蒸发所需能量（1031J g-1）。

5. 三维气凝胶界面蒸发器在海水淡化以及有机废水处理中表现出良好的性能。

【通讯作者简介】

袁占辉（博士、三级教授/教授级高工、博导）获吉林大学化学系本科和硕士学位，英国纽卡斯尔大学博士学位；入选福建省“百人计划”、福建省高层次人才B类、江苏省“双创”和西楚“雄英计划”，福建省“三区人才”和“科技特派员”等。主要从事先进生物质基二维材料的制备及其在光电、光催、光热、海水淡化、电源、超级电容器和环境等领域的应用研究；片状无机晶体材料在效果颜料的应用及产业化研究；天然高分子材料在生物仿生、智能、胶粘剂等领域的应用研究。无机粉体材料、化学表面处理及天然胶粘剂的产业化研究。主持国家、省部级及工业项目20多项，以第一/通讯作者在Acc. Chem. Res.、ACS Nano、Adv. Sci.、Nano Energy、Appl. Catal. B、Chem. Eng. J.等国际高水平SCI学术期刊发表论文100余篇。担任中国复合材料智能材料专委会副主任委员，Chemical Engineering Journal、Frontiers in Environmental Chemistry、Frontiers of Chemical Engineering、Frontiers of Environmental Engineering、Current Physics、Materials和Polymers等编委和客座编辑等。任英国Glassflakes Ltd.、印度Sudarshan Chemicals Ltd.、日本NKK Ltd.、浙江瑞成、江苏贝丽得、江西瑞彩等公司的高级技术顾问。

团队网站：http://acfm.fafu.edu.cn

【文献来源】

Jianqiushi Ma, Xuhui Sun, Yi liu, Liwei Wang, Meng An, Minjun Kim, Yusuke Yamauchi, Nithima Khaorapapong, Zhanhui Yuan,Bio-inspired 3D architectured aerogel evaporator for highly efficient solar seawater desalination, Nano Energy 137 (2025) 110781.

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.110781