AM|海水的太阳能界面蒸发快于纯水

Part.01

研究背景

全球淡水资源稀缺已成为威胁人类生存与发展的严峻挑战，预计到2050年，全球75%的人口将面临清洁水短缺的困境 。尽管海水淡化是解决该问题的有效战略，但传统的反渗透和热蒸馏等技术因能源消耗巨大且碳足迹高，难以满足大规模可持续应用的需求 。相比之下，基于界面太阳能蒸发的技术因其利用可持续的太阳能、工艺绿色环保且蒸发性能优异，被认为是极具前景的替代方案 。

然而，在实际的海水界面太阳能蒸发中，除了常见的盐分结垢会阻塞光吸收和水传输外，还存在一个本质的物理障碍 。海水中的盐离子与水分子之间存在强烈的“水合作用”，这会增加水分子从液态变为气态所需的能量（蒸发焓），从而显著阻碍水分子的逃逸 。这一现象使得海水的界面太阳能蒸发速率普遍低于纯水，通常比纯水蒸发慢约8.0% 。

为了解决这一痛点，该研究提出了一种简单且通用的策略，实现海水蒸发速率高于纯水 。通过在光热蒸发器中引入特定的矿物材料，利用其在界面处自发的离子交换作用富集海水中的 Mg2+ 和 Ca2+，从而成功降低了海水的蒸发焓 。这种方法不仅能大幅提升海水淡化效率，还有望显著增加清洁淡水的产出，为全球数百万面临水资源短缺的人口带来福音 。

相关工作以"Making Interfacial Solar Evaporation of Seawater Faster than Fresh Water"为题发表在《Advanced Materials》期刊上。

(中科院一区TOP，IF=29.4)。

Part.02

研究数据

图1.a)通过 HNT中的 Al3+ 与海水中 Mg2+ 的自发离子交换，将 Mg2+富集在蒸发表面，从而实现比纯水更快的海水蒸发示意图 。b)Al3+–Mg2+离子交换过程之前（左）和之后（右）不同结构的快照(O、H、Al、Si、Mg 分别为红色、白色、粉色、黄色和青色）。选定离子交换位点的 Al-O 和 Mg-O 键距随时间的变化 。

图2.HNT光热水凝胶的蒸发性能。a)HNT-阳离子相互作用的结构模型（O、H、Al、Si、Mg、Ca、Na、K 分别为红色、白色、紫色、黄色、青色、粉色、橙色和绿色）。b) 通过 DFT 计算得出的Mg2+、Ca2+、Na+、K+和HNT之间的吸收能。c) 通过 DFT 计算得出的 HNT 中一个 Al 被其他离子(Mg2+、Ca2+、Na+或K+)取代后的四种金属-氧键解离能 。d) 初始、水处理和海水处理的HNT的离子浓度。e) SEM图像，插图：水凝胶的照片。f) 一个太阳光下界面太阳蒸发过程中水和不同浓度海水的质量损失。g) 一个太阳下水和不同浓度海水的蒸发率。h) 拉曼光谱，显示了 HNT 光热水凝胶中海水和纯水的 IW（中间水）和 FW（自由水）拟合峰 。i) HNT 光热水凝胶在纯水和海水中蒸发焓降低的示意图 。

图3.海水蒸发速度比纯水快的机制。a) MD模拟的四种不同模型盐溶液。b) 不同阳离子和水的O原子之间的RDF。c) 不同溶液中所有水分子之间的相互作用能。d) Na+、K+、Ca2+、Mg2+第一和第二溶剂化壳层中水分子的平均氢键数。e) 四种溶液的1H NMR光谱。f) 显示MgCl2溶液IW 和 FW 拟合峰的拉曼光谱 。g) 四种盐溶液的IW与FW之比。

图4.分别在 0、50、100 和 200 ps 时，原始 HNT 表面上水分流失和离子改性 HNT 表面上的海水流失快照 。

图5.海水蒸发速度比纯水快的策略的普遍性。a-c) BN、ZL 和 MN 光热气凝胶的截面扫描电镜 (SEM) 图像 。d-f) 初始、水处理后和海水处理后的 BN、ZL 和 MN 的离子浓度 。g-i) BN、ZL 和 MN 光热海水的蒸发速率 。

Part.03

研究结论

本研究提出了一种在光热蒸发器中引入特定的矿物材料的通用策略，成功实现了海水界面太阳能蒸发速率快于纯水的创新突破 。该机制依赖于矿物材料在蒸发界面自发的离子交换作用，通过富集 Mg2+和 Ca2+ 来破坏水分子的氢键网络，从而显著降低了海水蒸发的焓值，使水分子更易气化 。实验结果表明，改性后的蒸发器海水蒸发速率提升至 2.09 kg·m-2·h-1，较纯水蒸发速率提升了 18.9%，且在长达 90 小时的连续测试及 4 个月的海水浸泡实验中，均表现出卓越的结构稳定性与蒸发性能 。该策略具备极强的普适性，适用于多种矿物材料及不同结构的光热蒸发器，为提升现有淡化工厂的清洁淡水产能提供了一种低成本、可规模化的工程解决方案，具有重要的学术价值与应用前景 。

Part.04

DOI：10.1002/adma.202414045

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