国内外太阳能界面蒸发研究现状（中科院宋延林团队Adv.）

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第一作者：邹苗苗

通讯作者：吴磊副研究员、宋延林研究员

通讯单位：中国科学院绿色印刷重点实验室、中科院化学所

论文DOI: 10.1002/adma.202102443

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太阳能驱动水蒸发被认为是一种通过脱盐技术获得清洁水的可持续策略，但目前的蒸发器由于工艺复杂、抗盐性差、耐久性差等缺点，限制了其进一步的应用。在本文中，受猪笼草口缘区表面的超快速输水现象和连续拱桥结构设计的启发，中科院化学所宋延林研究员、吴磊副研究员等课题组开发出一种仿生三维拱桥型太阳能蒸发器，用于诱导Marangoni流以实现长期脱盐。该蒸发器上形成的双层三维液体膜由可补水的限水膜和脱盐的超快定向Marangoni对流的自由流动水膜所组成，二者之间的协同作用可使3D蒸发器具有一体化功能，包括优异的太阳能驱动水蒸发性能(1.64 kg m-2 h-1，纯水效率91%)、稳定的长期脱盐性能(在10 wt%盐水中可连续运行200 h)，而且无需任何后续的清洁处理。该工作为推广Marangoni脱盐技术的应用和结构设计诱导液体膜控制在太阳能海水淡化领域的研究提供了三维结构的设计原则。此外，该工作设计出的材料还具有良好的力学和化学稳定性，并开发出一种可持续发展的太阳能海水淡化栽培平台，在农业栽培中表现出广阔的应用前景。

背景介绍

随着人类生活和物质生产力的发展，全球对于水资源的需求越来越重要，目前有5亿人常年生活在严重缺水的环境中。近年来，通过太阳能蒸发器在界面处进行海水淡化被认为是缓解水危机的一种可持续的策略。随着蒸发器从微米或纳米颗粒、二维平面到三维结构的设计，界面太阳能热局部化这一概念被证明是充分利用太阳能、尽可能减少热损失、提高蒸发率和能量转换效率的有效途径。目前有关脱盐性能的研究可分为两种方法：盐结晶法和盐循环法，前者随着连续蒸发在特定位置同时析出盐，后者随着连续蒸发而抑制盐的析出。事实上，盐一旦沉淀，盐晶体就会逐渐积累并留在蒸发器表面，从而降低光吸收性能，使有效蒸发面积减小，补水不足，导致蒸发速率和能效的进一步降低。因此，与盐结晶法相比，盐循环可以在连续蒸发过程中保持清洁的蒸发环境，减少沉淀盐处理过程，提供了一种自动蒸发过程。

然而，盐循环法在实际应用中也存在一些严重的局限性。首先，优异的防污性能和蒸发率或能源效率很难同时达到。为了抑制海水淡化过程中的盐沉淀，科研人员提出并设计了具有特殊输水通道的结构，该结构可以实现足够的水通量或蒸发面积，从而维持较高的蒸发率或能量效率。第二，目前的脱盐策略主要集中在盐浓度梯度引起的扩散或对流，脱盐速度和脱盐能力相对较低，因此需要更复杂的材料和结构设计。第三，力学耐久性决定着蒸发器在实际应用中的长期性能，但目前受到的关注较少。大多数基于多孔结构的蒸发器都非常脆弱，无法满足太阳能蒸发器的高耐久性和可重复使用性要求。因此，开发出一种蒸发率高、耐盐性好、制备工艺简单、耐久性优异的一体化太阳能蒸发器非常关键。

在本文中，作者开发出一个在高盐度下具有高蒸发率和抗盐性能的3D系统。受自然界猪笼草口缘区表面超快的液体传输特性和建筑上连续拱桥结构的启发，作者设计出一种仿生三维太阳能蒸发器，其表面呈拱桥状，表面有凹槽和微腔阵列。通过拱桥形状可以提供结构的连续性，以防止边缘引起的盐沉淀和积聚，并在蒸发器和大量水之间引入预定的接触边缘，使热量集中在蒸发器表面，与大量水的接触面积有限。得益于微腔中的仿生沟槽，使得仿生三维蒸发器表面形成三维的连续水膜，可分为两层：下层的限制液膜层可以保持水膜的连续性并充分补充液体，上层的自由流动液膜层为温度梯度引起的定向Marangoni对流。Marangoni具有足够快的对流速度，基本上可以抑制盐在高温区域的积聚，并防止沿蒸发器表面产生盐浓度梯度，从而实现长期的脱盐性能。即使在10 wt%的NaCl溶液中连续蒸发200 h，在一阳光照射下，也可获得1.64 kg m–2 h–1的太阳水分蒸发率和1.59 kg m–2 h–1的太阳脱盐率，能量效率为91%和89%。本文提出了一种防止盐析出的结构设计原则，以促进太阳能海水淡化领域液膜控制的研究。此外，由于3D打印和固化工艺将光热材料嵌入UV交联树脂内，也保证了蒸发器长期使用时的力学耐久性。得益于优异的耐久性和化学稳定性，所制备出的脱盐水可通过脱盐-栽培综合平台用于作物生长，这对于自我可持续农业栽培很有希望，从而缓解全球水和粮食的关键问题。

图文解析

图1. 仿生三维拱桥式太阳能蒸发器的制备与表征：(a)数字光处理(DLP)增材制造设备的示意图，该设备用于加工制造表面具有猪笼草口缘微结构的3D拱桥蒸发器；(b)复合树脂(AE–CF)形成，通过紫外光固化丙烯酸酯树脂与碳纳米纤维混合用于三维结构；(c)碳纳米纤维的SEM图；(d)结构表面嵌入纳米碳纤维的SEM图；(e)拱桥蒸发器显微CT三维重构图；(f)拱桥蒸发器模拟猪笼草口缘微腔阵列的截面显微CT图；(g)长度为≈900 µm，宽度≈680 µm的微腔SEM俯视图；(h)不与水接触时干燥状态下的蒸发器；(i)带水膜覆盖的湿态蒸发器，称为稳态蒸发器；(j)采用棉球吸收拱桥蒸发器上的表面水；(k)失去表面水后暴露的气-固界面，注意由于后续补水，暴露的气-固界面可在400 ms内恢复到稳定状态(i)；(l)具有仿生口缘结构拱桥形蒸发器表面液膜形貌的截面显微CT图。

图2. 不同弯曲角度下拱桥形蒸发器的蒸发性能：(a)太阳能水蒸发性能评估实验装置示意图；(b)拱桥蒸发器实验装置的光学图像(左)，以及45°至180°不同弯曲角度下的光学图像(右)；(c)以裸液面为对照，研究了不同弯曲角度的拱桥蒸发器在同一太阳光照下纯水的质量变化，其中黑色、橙色、紫色、绿色和红色线分别代表裸液面、45°、90°、135°和180°时拱桥蒸发器的质量变化曲线；(d)以裸液面为参照对象，研究了不同弯曲角度时拱桥蒸发器上纯水的蒸发速率和能量效率，其中红线和黑线分别代表在一个太阳光照和黑暗中的蒸发速率，蓝线代表能源效率，蒸发率的误差线是由测量质量变化时引起的；(e)不同弯曲角度下拱桥蒸发器在同一太阳光照下的顶部和底部温度，其中蓝色和红色的虚线分别表示拱桥蒸发器的底部温度和顶部温度，插图为相应的拱桥蒸发器在光照下的红外图；(f)黑暗中不同弯曲角度下拱桥蒸发器的顶部和底部温度，蓝色和红色虚线分别表示拱桥蒸发器的底部温度和顶部温度，插图为相应的拱桥蒸发器在黑暗中的红外图。

图3. Marangoni效应引起的3D拱桥蒸发器抗盐性能：(a)太阳光照射下10 wt% NaCl溶液在180°拱桥蒸发器和裸液面上的质量变化；(b)以10 wt% NaCl溶液为本体水，探究其在连续太阳能脱盐5 h前后180°拱桥蒸发器表面的光学图像，可以看到在连续蒸发5 h后，蒸发器表面无积盐现象；(c)蒸发10 wt% NaCl溶液时180°拱桥蒸发器上桥顶水膜中NaCl浓度随时间的变化，以及体积液中NaCl浓度随时间的变化，其中红色虚线和黑色虚线分别代表桥顶和本体液体中的NaCl浓度；(d)在不考虑Marangoni效应的情况下，对悬浮在10 wt% NaCl溶液上的180°拱桥蒸发器中的流体流动和盐浓度分布进行数值模拟；(e)在考虑Marangoni效应的情况下，对悬浮在10 wt% NaCl溶液上的180°拱桥蒸发器中的流体流动和盐浓度分布进行数值模拟；(f)完全被染色水填充的微腔结构光学图像；(g)添加纯水的双层液膜光学成像；h) 0.1g NaCl固态晶体在7分钟内从拱桥蒸发器的桥顶到本体水中去除过程的光学图像，其中盐用绿色墨水染色以便于识别；(i) 0.1g NaCl固态晶体从滤纸的顶部到本体水中不完全去除过程的光学图像。

图4. 三维拱桥蒸发器的净化及耐久性表征：(a)在20 wt% NaCl, 10 wt% CuSO4, 10 wt% ZnSO4溶液中净化前后的离子浓度，其中蓝色和绿色柱分别代表净化前后相应的离子浓度，红色虚线为世界卫生组织(WHO)规定的饮用水离子浓度标准；(b)黄海海水样品在淡化前后的四种一次离子浓度对比，其中蓝色和绿色柱分别代表净化前后的金属离子浓度；(c)海水淡化-栽培系统的实验装置；(d)海水、地下水和淡化后海水灌溉小麦地上部长度随栽培时间的变化，插图为海水、地下水和淡化后海水灌溉小麦生长状况的光学图像，比例尺为2厘米；(e)滤纸负载碳纳米管蒸发器在刮擦过程中的光学图像，可以看到刮刀刮过表面后，碳纳米管很容易被刮掉；(f) 3D打印AE-CF平面薄膜抗刮擦性能的光学图像，可以看到在刮擦后，平面膜完好无损，表面无任何划痕；(g)人肺腺癌细胞(A549)在8日光照下，以清水为对照，在拱桥蒸发器收集的水中培养后进行的细胞活性测定；h) 3D蒸发器在10 wt%盐水中的耐久性测试。

总结与展望

在本文中，受自然界中猪笼草口缘区表面超快速液体输送和建筑结构中连续拱桥设计的启发，作者通过一步打印策略开发出一个仿生3D拱桥太阳能蒸发器，该蒸发器可以在高盐度溶液中诱导具有一定方向的Marangoni流，从而实现了长期的连续蒸发脱盐海水淡化过程。根据口缘微结构和宏观拱桥结构的模拟结果，三维双层连续液膜由补水的封闭层和脱盐温度分布不均匀的超快Marangoni对流的自由流动层组成，其协同工作赋予3D蒸发器一体化的功能，以实现卓越的太阳能水蒸发(1.64 kg m–2 h–1，效率为91%)、高效太阳能脱盐(1.59 kg m–2 h–1，效率为89%)和优异的脱盐性能(在10 wt% NaCl中可连续运行200 h)，无需任何后续清洗处理。此外，该太阳能蒸发器的制造方法和适用材料具有很大的灵活性，可用于大规模和低成本生产。淡化后的水质满足世界卫生组织饮用水标准，并通过太阳能海水淡化-栽培平台，可用于实时和按需作物的生长，有利于促进太阳能蒸发器的实际应用，在全球农业栽培领域向前迈进。

通讯作者介绍

宋延林，1989年和1992年于郑州大学化学系获得学士、硕士学位；1996年于北京大学化学与分子工程学院获得博士学位，1996-1998于清华大学化学系从事博士后研究；1998年进入中国科学院化学研究所，任副研究员、研究员。现任中国科学院绿色印刷重点实验室主任，研究员、博士生导师；北京航空航天大学、北京印刷学院兼职教授。主要从事信息功能材料、光子晶体与应用和绿色打印印刷材料与技术研究。

文献来源

Miaomiao Zou, Yu Zhang, Zheren Cai, Chuxin Li, Zhiyuan Sun, Cunlong Yu, Zhichao Dong, Lei Wu, Yanlin Song, 3D Printing a Biomimetic Bridge-Arch Solar Evaporator for Eliminating Salt Accumulation with Desalination and Agricultural Applications. Adv. Mater. 2021, 2102443. DOI: 10.1002/adma.202102443.

文献链接：https://doi.org/10.1002/adma.202102443