上海
在经济快速增长、人口持续扩张和气候变化加剧的情况下，缺水已成为一个紧迫的全球挑战。为了在实现碳达峰和碳中和目标的同时解决这一问题，太阳能驱动界面蒸发（SDIE）因其低碳足迹和可持续淡水生产的潜力而成为一种有前途的技术。尽管有这些优势，但由于水的蒸发焓较高（20℃：~2450 kJ/kg），SDIE的蒸发性能仍然受到影响。另一个不可避免的问题是，SDIE系统在蒸发过程中经常出现盐结晶，未溶解的晶体会堵塞孔隙，严重损害蒸发器的长期运行稳定性。因此，合理设计高效的光热材料和坚固的输水通道对于克服这些局限性至关重要。
受植物维管束系统的启发，提出了一种仿生水凝胶蒸发器。首先使用ZIF-67作为前体合成了中空结构的CoMo 层状双金属氢氧化物（LDHs）。随后通过自氧化还原反应沉积银纳米粒子，以获得Ag@CoMo LDH作为光热材料。然后将复合材料掺入聚乙烯醇（PVA）中，通过盐析法制造出具有仿生分级多孔通道的集成水凝胶蒸发器，降低水的蒸发焓至1216 J g-1，同时SO42-通过Hoffmeister效应增强了PVA水凝胶的机械性能。为了阐明水的活化机制，进行了分子动力学模拟（MDS）来研究不同表面上的水蒸发行为，揭示了LDHs通过削弱分子间的水相互作用来降低蒸发能垒。此外，蒸发器表现出优异的抗生物污染性能，为先进蒸发系统的可扩展制造提供了宝贵的见解。该仿生水凝胶蒸发器在 1 个太阳辐照下的蒸发速率为4.3 kg m-2 h-1，蒸发效率达89.2%。相关工作以“Bioinspired Ag@CoMo LDH hydrogel-enabled interfacial water activation and anti-biofouling for efficient solar desalination”发表在国际期刊《Chemical Engineering Journal》（中科院一区，IF：13.2）上。中山大学先进制造学院余树东助理教授和湖北大学新能源与电气工程学院王贤保教授为该论文共同通讯作者，中山大学先进制造学院吴嘉宁副教授为共同作者，中山大学博士后陶俊阳为该论文第一作者。
图 文 导 读
图 1 光热材料的合成和多孔水凝胶蒸发器的结构示意图。
图 2 a) Ag@CoMo LDH的合成路线示意图。b) ZIF-67，CoMo LDH和Ag@CoMo LDH的XRD图谱。c) 10-13°，34-40°的衍射峰局部放大。
图 3 Ag@CoMo LDH的测试表征。a-c) ZIF-67、CoMo LDH和Ag@CoMo LDH的SEM图像。d，e) CoMo LDH和Ag@CoMoLDH的HR-TEM图像。f) Ag@CoMoLDH的选取电子衍射和元素映射图像。g) CoMo LDH和Ag@CoMoLDH的Co 2p的高分辨率XPS谱图。h) CoMo LDH和Ag@CoMoLDH的红外谱图。
图 4 PVA水凝胶的制备与表征。a) 盐析过程中PVA链中氢键形成的示意图。b) 不同形状的PVA-Na2SO4水凝胶的照片。c，d) PVA和PVA-Na2SO4水凝胶的SEM图像。e) PVA和PVA-Na2SO4水凝胶的XRD谱图。f) 水凝胶样品的压缩应力-应变曲线。
图 5 蒸发器的光热转换和水蒸发性能。a) 银的局部表面等离子体共振（LSPR）效应示意图。b) 不同样品的UV-vis-NIR吸收光谱。c) 1 kW m-2太阳辐射强度下样品的温度变化曲线。在20 wt.%盐水测试d) 不同半径，e) 不同PVA质量分数，f) 不同材料负载下的2D蒸发器的蒸发速率。g) 不同高度和h) 不同材料负载下的3D蒸发器的蒸发速率。i) 与其他水凝胶蒸发器的蒸发速率和效率的比较。
图6. 水活化机理探索。a) 自由水和中间水示意图。b) CoMo LDH/水、L-CoMo LDW/水、PVA/水和PVA-Na2SO4/水的拉曼光谱。c) LDH/水、PVA/水和纯水的分子动力学模拟建模（MDS）。d) 100 ps时不同界面的快照。e) 氢键数随时间的变化。f) 水分子随时间损失的数量。
图7. 蒸发器的户外蒸发和抗菌性能。a) 蒸发和集水装置的照片。b) 2024年10月18日，中国武汉湖北大学（北纬30.5454°，东经114.3423°）的太阳通量和蒸发率。c) 海水和冷凝水的离子浓度。d) 菌落的照片和抗菌效率。
论 文 信 息
期刊：Chemical Engineering Journal
题目：Bioinspired Ag@CoMo LDH hydrogel-enabled interfacial water activation and anti-biofouling for efficient solar desalination
作者：Junyang Tao（陶俊阳）, Yizhe Liu（刘艺喆）, Hongzhen Zeng（曾泓臻）, Yujun Wei（魏于钧）, Xingyu Shi（施星宇）, Yi E（鄂毅）, Zhiyi Wang（汪志义）, Jianing Wu（吴嘉宁）, Xianbao Wang（王贤保）, and Shudong Yu（余树东）
DOI：10.1016/j.cej.2025.170628.
来源：仿生界面及未来制造实验室
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