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第一作者：张赫（成都理工大学）

通讯作者：李小可副教授（成都理工大学）、杨柳副教授（东南大学）、吴小虎研究员（山东高等技术研究院）

通讯单位：成都理工大学材料与化学化工学院

DOI：https://doi/10.1002/smm2.1175

成果简介

成都理工大学李小可课题组与东南大学杨柳副教授、山东高等技术研究院吴小虎研究员合作，在期刊《SmartMat》发表了题为“The coral-inspired steam evaporator for efficient solar desalination via porous and thermal insulation bionic design”的研究论文。针对非常规废水淡化过程中速率慢、效率低等问题，本研究以聚乙烯醇（PVA）和壳聚糖为水凝胶骨架、中国墨水为太阳能吸收剂，生物质丝瓜络作为水凝胶基底。构筑了一种新型可生物降解的水凝胶太阳能蒸发器（BBH-L）。

研究背景

淡水是人类生存和发展的重要资源，但由于世界工业化进程的加快，淡水匮乏问题更加严重。因此，开发高效的水处理技术以解决水资源短缺的问题是极其需要的。太阳驱动的界面蒸发（SIE）是一种新兴的有前途的技术，它利用丰富的太阳能来净化海水、苦咸水和生活污水，以缓解水的短缺。与传统技术（如反渗透、多效蒸馏和膜蒸馏）相比，SIE以较少的热能和电力消耗以及较低的成本而受到关注。而具有独特三维孔道结构的水凝胶，由于其优秀的水传输能力及热局域能力，是太阳能界面光蒸发技术的常见材料之一。

研究亮点

受多孔结构的珊瑚启发，本文开发了一种新型的基于生物质水凝胶的仿生珊瑚结构的太阳能蒸发器（BBH-L）。它由两部分组成：一部分是由聚乙烯醇（PVA）和壳聚糖（CS）制备的生物质水凝胶（BBH），它具有高亲水性和强大的供水能力。以我国文房四宝中的墨水作为太阳能吸收剂。另一个重要的部分是具有多层丝状结构的天然可降解生物质丝瓜络，它被用作蒸发器的基底，可以使蒸发器漂浮在水体的表面，同时尽可能地减少热量损失，提升蒸发效率。该蒸发器在在1个太阳的光强下实现了高达4.37 kg⋅m-2⋅h-1的水蒸发率和98%能量效率，因此在生物质太阳能蒸发器中脱颖而出。本研究预计为海水、苦咸水和生活污水等非常规水的脱盐处理提供了新的思路。

BBH-L的结构和相应的太阳能驱动界面光蒸发机制示意图。

研究结果

图1 BBH-L水凝胶蒸发器图片。

图2 水凝胶的化学和结构表征。(A）制备好的水凝胶照片；（B）不同放大倍数的SEM图像显示；（C）傅里叶变换红外光谱；（D）BBH的力学性能（储存模量（G′）和损失模量（G′′））。

图3 BBHs内部的水分限制状态。(A) BBH 2的动态接触角；(B) 每克相应的水凝胶中的饱和水含量；(C) 水凝胶中水分调节机制示意图；(D, E) BBHs能量区的拉曼光谱拟合曲线。水的O-H拉伸模式。

图4 分子动力学模拟。(A)BBH的分子模拟的初始状态。(B)-(D)水凝胶中水分子的蒸发过程。(E) 蒸发的水分子的数量。(顶壁和底壁为深灰色；表面的碳、氧、氮和氢原子分别为浅灰色、红色、绿色和白色；水分子中的氧和氢原子为浅蓝色和白色）。

图5 BBHs的光热管理行为。(A）BBH的紫外-可见-近红外光谱；（B）通过红外热成像记录的BBH-L的团水温度和表面温度；（C）水凝胶样品的平均表面温度随照射时间的变化。

水凝胶的光热性能和热定位能力是通过跟踪一个太阳下蒸发表面和下方水体的温度来评估的。如图5B所示，BBH-L的表面温度在5分钟内迅速上升，并在大约30分钟后达到平衡状态。此外，表面和下面水体之间的最大温度差距接近20℃。上述结果表明，BBH-L蒸发器具有良好的热定位能力，可以将热量主要限制在中心表面，可以大大减少热量损失。图5C表示BBHs蒸发过程中平均表面温度的变化趋势（0、5、8、10和15分钟）。BBHs的平均表面温度由红外热成像记录。很明显，所有水凝胶样品的温度在5分钟内迅速上升到30℃以上。BBH-L的平均表面温度在8分钟内从25.1℃上升到38.9℃，15分钟后只上升了1.3℃。这一结果表明，在引入丝瓜络后，进一步增强了水凝胶的水分管理能力，使更多的热量在蒸发过程中得到有效利用。上述分析与温度上升的实验结果一致。因此，上面提到的优点使BBH-L具有快速的光热反应和出色的热定位能力，这将大大改善其在实际应用中的蒸发性能。

图 6 BBH-L 的海水淡化性能。 (A) BBH-L 在三种人工海水样品中的蒸发率和总溶解固体（ TDS ）； (B) 海水中主要离子在脱盐前后的浓度。

图7 淡化前后苦咸水中主要离子的浓度，三种pH值的生活污水中BBH-L的蒸发率和脱盐后的pH值

用三种有代表性的盐度（波罗的海（8‰）、普通海水（35‰）和死海（250‰））的人工海水样品评估了BBH-L的海水淡化性能。如图6A所示，三个样品的蒸发率都超过4.0 kg⋅m-2⋅h-1。这一结果表明，BBH-L可以在高盐度水中稳定地工作。脱盐能力是评估水凝胶蒸发器的关键指标之一。据此，我们测量了三个人工海水样品在脱盐前后的总溶解固体（TDS）。脱盐后，所有样品的TDS明显减少了约3-4个数量级，符合WHO和EPA规定的饮用水质量标准。此外，使用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）测定了金属盐离子的浓度。经过净化，真实海水样品（图6B）和苦咸水（图7）中废金属离子的浓度明显降低了3-4个数量级，总浓度仅为10mg/L。同样，对三种pH值（2、7、13）的家庭污水样本进行了蒸发处理。这种酸碱跨度通常涵盖了所有的家庭污水和洗涤剂条件。实验结果显示在图7中。很明显，三种污水样品的蒸发率都在4.0 kg⋅m-2⋅h-1以上，与纯水相比没有明显差别。这一比较表明，BBH-L可以在高蒸发率的情况下实现高效的污水处理。对蒸发后收集的水的pH值作了进一步的测试（图7，蓝线）。与标准色卡相比，收集的水的pH值分别为6.5、6.8和7.3，符合饮用水标准规定。

作者介绍

第一作者：

张赫，成都理工大学材料与化学化工学院2021级硕士研究生，邮箱：hezhang0801@163.com

通讯作者：

李小可，成都理工大学副教授，硕士生导师，主要从事太阳能转换与利用，强化传热传质领域的研究，截止目前共发表SCI论文及中文核心期刊论文30余篇，总他引次数超过500次，H指数为15，并有多篇论文入选ESI热点论文和高被引论文。邮箱：xiaokeli319@126.com

杨柳，东南大学副教授，主要研究方向为纳米流体与传热传质、制冷空调与新风系统、太阳能利用与相变储能等。到目前已发表论文80余篇，其中SCI论文60余篇，7篇论文入选ESI高被引。邮箱：yang_liu@seu.edu.cn

吴小虎，山东高等技术研究院研究员。2019年博士毕业于北京大学（佐治亚理工学院联合培养），入选2021福布斯中国30 Under 30榜单。主要从事近场辐射换热、非互易热辐射、和微纳光学等领域的研究，在Optica，IJHMT，JQSRT等期刊上发表论文70余篇。邮箱：xiaohu.wu@iat.cn

期刊介绍

《智能材料》（SmartMat）期刊由天津大学副校长胡文平教授与香港城市大学张华教授担任共同主编，是天津大学主办并与Wiley合作出版的一本聚焦智能材料领域前瞻性科研成果的英文学术期刊，旨在办成国内领先、国际上有较高声誉的学术期刊，提升我国该领域的影响力和话语权。该刊组建了以智能材料领域全球高被引学者为主体的国际化编委会，国际编委占比50%，中科院院士占比28.6%，国外院士28.6%，已基本覆盖了智能材料领域的主要顶级研究机构（麻省理工学院、斯坦福大学、加州理工大学、Max-Plank研究所、剑桥大学等），这些机构发表了本领域35.1%的高被引论文。《智能材料》（SmartMat）刊文范围广泛，包含人工智能材料、柔性材料、量子材料、分子材料、类脑计算、生物和仿生材料、电子与微电子材料、智能环境、能源与催化材料、智能传感功能材料等，填补了智能材料领域国内外高水平期刊的空白，具有跨学科及前瞻性的特点。

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