文献前沿| Adv. Funct. Mater.：水母启发的三维微型半月板太阳能海水淡化器

太阳能界面蒸发已成为解决全球水资源短缺和污染的关键解决方案，但它的的实际应用往往受限于蒸发率，而且大多数太阳能蒸发器仅限于特定类型的单一液体。针对这些问题，本文介绍了一种以水母为灵感的微型半月面太阳能蒸发器(JMSE)，用于油-卤水混合物中的淡水提取。利用3D微弯月面结构和仿生弹簧微通道促进水从油水界面的连续传输，JMSE的蒸发速率比传统太阳能蒸发系统提高了30%。而且该系统表现出强大的抗盐能力，即使在石油污染的海浪环境中也能保持有效的海水淡化，为复杂环境下界面太阳能蒸发技术的创新提供了新思路。相关工作以Jellyfish-Inspired 3D Micro-Menisci Solar Desalinator for High-Efficient and Stable Pure Water Production from Oil-Brine Mixture为题发表在Advanced Functional Materials期刊。

为了实现太阳能界面蒸发装置在油-卤水界面的高效蒸发，受水母外形的启发，本文设计了一种带有三维微通道结构的半月形蒸发装置。在太阳光的驱动下，弹簧微通道编织的网状结构通过Marangoni效应和温度梯度实现油水界面的水分传输和高效蒸发（图1）。表征的测量展现了装置优良的光热吸收、亲水性及快速的水传输响应（图2）。随后通过JMSE在油污海浪环境下的模拟测试，展现了在油污中比传统二维蒸发器更加优越的蒸发及抗波浪性能（图3）。蒸发测试的评估显示：随着日照强度的升高，JMSE在油-水混合物中的蒸发率在2个标准太阳强度下增加到3.96 kg·m-2·h-1。在1.5个太阳强度下仅10分钟就能将温度提升至46.1°C的热稳定状态，展现出其在纯水和油水混合物中卓越的光热转化性能（图4）。由实验和仿真共同证实：盐度和温度梯度共同驱动的马兰戈尼效应有效提升了装置的防盐性能。装置在15分钟内能够溶解并排出0.1g的固体盐晶，并且在10 wt.%的高浓度盐水中连续运行10天仍能保持稳定的蒸发性能（图5）。在户外实验中，JMSE淡水生产率高达2.86L·m−2day−1，并且对不同盐度的水体都展现出强净化效果（图6）。

图1.水母仿生JMSE的设计。a) JMSE的设计思路。在太阳照射下，这种仿生蒸发器可以利用弹簧微通道连续输送油水界面的水，以便在波动的环境中进行太阳能蒸发。底部的面板展示了基于带有仿生弹簧微通道的JMSE的石油分离、水传输和太阳能蒸发的复杂过程。b)编织JMSE示意图。仿生弹簧微通道采用掺杂CNT和HBA的光敏树脂印制而成。在仿生弹簧微通道内形成的三维微弯月面降低了水的蒸发热，增强了界面的太阳蒸发现象。c)太阳能海水淡化蒸发系统示意图。d) JMSE和2D蒸发器的长期太阳能蒸发性能对比。

图2. JMSE的制备与表征。a) 3D JMSE照片(上)和充满液体的弹簧微通道后的3D微半月板(下)。b)扫描电子显微镜图像:螺距900μm、直径1 mm的弹簧微通道(UP)和碳纳米管(DOWN)。c)不同蒸发器的光吸收光谱。d) JMSE表面的接触角测量，证明其超亲水性。e) JMSE的干态和湿态在暴露气固界面和补充地表水后200ms内可以恢复到稳定状态。f)仿生弹簧液体传输原理。g)利用仿生弹簧微通道工作的液体传输过程的光学图像：液体能够在193毫秒的时间内从仿生微通道的底部传输到1.5厘米的高度。h)不同直径仿生弹簧微通道的微流控性能。

图3.JMSE在波浪和石油污染环境中的蒸发性能。a)波动油污环境中JMSE的示意图。b)为探测波浪水所施加的力而设计的检测原型。c)作用在JMSE上的力:F表示从垂直方向作用于传感器的力，而水泵的流量设置为7500r或13500 r，表示波浪强度。d)弹簧微通道穿过油介质取水。e)石油蒸发过程的延时光学图像。f)不同油层高度的层状油水混合物下，纯水在JMSE上的蒸发速率。当油层厚度超过1.5厘米时，普通蒸发器不能通过油层蒸发，蒸发率为零。g~h)JMSE和传统平面蒸发器收集水的延时照片。I)波动环境中JMSE和平面蒸发器上水的蒸发率。

图4. JMSE的蒸发性能。a)评估JMSE太阳蒸发性能的实验装置。b)不同日照条件下油水混合物在JMSE上的质量变化。c)具有JMSE的纯水在不同太阳辐射下的质量变化。d~e)油水混合物和纯水中不同太阳辐射对JMSE表面温度的影响。f) 1.5太阳照射下JMSE在纯水和油水混合物中的热成像。油水和纯水的最高温度分别为46.1℃和43.4℃。g~h)油水混合物和纯水在不同太阳光照射下的蒸发率和太阳能-水蒸气效率。I) JMSE在10个周期的1个太阳辐射下的水分蒸发速率。j~k)从上午8：00至下午17：00，在室外连续8小时进行太阳蒸发，在油水混合物中使用JMSE。

图5. JMSE在1个太阳辐射下的拒盐性能。a)以仿生弹簧输水微通道和泡沫隔热材料为主的界面太阳能蒸汽发生装置。b)蒸发过程中盐分在JMSE中的迁移和分布。c)处理5wt.%氯化钠溶液时，连续蒸发12h的JMSE和平面蒸发器的照片和扫描电子显微镜图像。JMSE保持清洁，而平面蒸发器上覆盖着盐晶体。d)描述了0.2g氯化钠固体晶体从JMSE顶部到散装水在15分钟内的光学图像的时间序列。e) JMSE和平面蒸发器处理5wt.%氯化钠溶液的连续淡化性能。f) JMSE处理10wt.%氯化钠溶液的10天以上的长期淡化性能。条件：温度26±2°C，相对湿度50±5%。g~h) JMSEs在10wt.%氯化钠溶液运行过程中盐浓度变化和温度变化的数值模拟。i)考虑和不考虑Marangoni效应时JMSE在10wt.%NaC l溶液中流动的数值模拟结果。

图6.用于室外盐水和油盐混合物净化的JMSE浮标原型演示。a)哈尔滨室外卤水处理收集箱中的JMSE照片。b)太阳能海水淡化和废水净化系统示意图。c)随时间推移JMSE太阳蒸发装置的快照。d)在2024年10月9日测量了JMSE的淡水生产力、太阳辐照度、环境温度和湿度。e)不同地区的海水淡化。f)净化前后K+、Fe3+、Cu2+、Ni2+、Ca2+的去除效率。g)净化前后MO和MB溶液的UV-Vis吸收光谱。

小结：总之，本文以水母为原型设计了一种太阳能界面蒸发系统。该系统以南瓜茎仿生的弹簧微通道为蒸发传输的核心部件，在石油污染和波浪作用的复杂环境中实现了良好的海水净化效果。仿生弹簧微通道上的3D微弯月面有助于JMSE持续高效地利用太阳能生产淡水，在1个标准太阳强度下实现了2.16kg·m−2 h−1的显著蒸发，比传统的太阳能蒸发系统提高了30%，并且具有卓越的耐用性(连续运行10天，无需清洗)。3D仿生微通道和增强的光吸收为的创新设计可以有效地分离淡水和盐水溶液，并通过Marangoni 效应协同展示了出色的抗盐能力。此外，JMSE浮球样机现场演示的采水量为0.42 kg m−2 h−1，相当于每日2.86L·m−2。室外测试进一步证明了JMSE的稳健性和适应性，为应对恶劣条件下的淡水短缺提供了一种可持续的解决方案。

论文信息：Li, Yinfeng, et al. "Jellyfish‐Inspired 3D Micro‐Menisci Solar Desalinator for High‐Efficient and Stable Pure Water Production from Oil‐Brine Mixture." Advanced Functional Materials (2025): 2507331.Materials (2025): e17644.
https://doi.org/10.1002/adfm.202507331

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