文献速递｜李振声课题组：Small杂志 基于排列微针矩阵蒸发器的太阳能驱动海水淡化与盐的定点结晶

前言2021年6月，Small杂志在线发表了香港城市大学李振声教授团队在太阳能驱动的海水淡化领域的最新研究成果。该工作报道一种基于排列微针矩阵蒸发器用于高效海水淡化和盐定点结晶。

第一作者：黄钟明

通讯作者：李盛亮教授，李振声教授

DOI：doi.org/10.1002/smll.202101487

本文亮点

在这项工作中，我们展示了一个合理的设计微针阵列三维太阳能蒸馏器，实现了盐结晶和有效的水蒸发。通过原位凝胶法结合倒模法制备4 x 4毫针阵列蒸发器。制备的蒸发器具有较好的光热转换，隔热能力。在一个太阳照射下实现2.94 kg·m^-2·h^-1的高蒸汽产率。同时在高浓度盐水中，实现了定点盐结晶的能力。这项工作为高效的太阳能水蒸发和盐收集同时提供了一种新的设计，在海水淡化和盐水处理的实际应用中具有良好的潜力。

背景介绍随着全球环境的恶化，在过去的几十年里，以海水或废水为主要来源的净水技术引起了巨大的研究热情。与传统的水净化方法相比，太阳能驱动的水蒸发被认为是一种很有前景的技术，可以实现实用的海水淡化或污染水修复。在典型的太阳蒸发中，高效的太阳热转换、良好的热约束和抗盐阻塞是实现有效的太阳水蒸发的三大要求。虽然很多人致力于开发太阳能蒸发器来提高蒸发效率，但在海水淡化过程中，海水中的盐不可避免地会积累在蒸发器的界面上。这就导致了盐晶体会严重减少太阳能的吸收，也会阻碍供水，导致太阳能转换和水运输效率低下。因此，抗盐积累的太阳蒸发是一个关键问题，但仍然具有挑战性。

为了解决盐积累的问题，人们在蒸发器内垂直安装大口径通道阵列，上疏水层和下亲水层的“Janus”太阳蒸馏器，自洁纳米结构、离子泵等，已经被很好地开发用于解决盐阻塞问题。虽然所有这些方法都在一定程度上控制了盐的形成，但往往影响了水的蒸发效率。

图标解析图一：a)制备3D水凝胶排列矩阵蒸发器的过程。b, c)空白矩阵蒸发器和对应的SEM 图。e, f)参杂聚多巴胺的蒸发器和SEM图。d)水接触角实验。g, h, i)蒸发器的吸光，光热转换，隔热性能。

利用聚乙烯醇的原位成胶能力结合定制的PDMS倒模方法，制备出3D的排列矩阵蒸发器。空白的蒸发器显示白色具有较弱的吸光能力，然而在掺杂聚多巴胺之后，蒸发器显示黑色并且具有较高的吸光能力。SEM数据显示，制备的3D排列矩阵蒸发器具有较大的孔隙率，同时参杂的聚多巴胺颗粒附着在微孔的壁结构上。良好的光热转化效果和较好的亲水性能为蒸发器的应用提供基础。

图二：a)水蒸发过程，b)蒸发器的红外光热图。c, d）温度变化和蒸发速度图。e)在盐水中蒸发稳定性，f, g)蒸发后水中离子含量对比,h)在盐水中的蒸发速率。

接下来，利用太阳光模拟器（PLS-SXE300D/300DUV）在五个太阳的照射下，蒸发器出现明显的水蒸气。同时红外图数据记录了太阳光照射下蒸发器的温度变化。同时在不同的光照强度下，计算了蒸发速度和温度变化。将矩阵蒸发器用于不同盐浓度的溶液中，发现蒸发速度一致，无明显差别。同时纯化后的水中金属离子的含量较低，达到国际健康标准。

图三：a), b)光热温度变化模拟图。c)热流模拟图。d）水浸润模拟过程图。e)微观水润湿示意图。f)水热接触界面示意图。

接下来，我们用多物理场模拟的方法，模拟了3D矩阵的光热转化和温度分布，发现在3D锥形的锥尖上温度较低。同时热流分布显示在锥尖上的热流分布较为密集。宏观和微观的水润湿过程显示，水运输的过程较快。原因在于蒸发器本身的亲水能力和特殊的锥型构造。

图四：a)， b)盐结晶过程示意图。c)光热温度分布图。d, e)3D矩阵蒸发器盐结晶示意图和实物图。f，g)盐结晶效率和蒸发速度变化图。h)盐结晶速度图。

接下来，我们考察了盐的定点结晶能力，如图四示意图所示，在光照下，随着时间延长，盐在锥型的定点结晶。同时温度红外图显示，在顶点的温度比较低，温度差形成的表面张力促进了盐在顶点结晶。接下来考察了三种不同形貌的蒸发器，结果发现，锥体的高度变化影响盐结晶的效率。同时记录了盐结晶过程中的蒸发速度的变化。发现顶点结晶的蒸发器对蒸发速度影响不大。

全文小结

综上所述，本工作报道了一种简单的具有高太阳能水蒸发的针状阵列同时研究了太阳能驱动水的蒸发和盐分离。通过原位凝胶法和倒模法制备的针状阵列具有较好的太阳光驱动的蒸发速度，正常情况下水蒸发效率达到2.9 kg·m⁻²·h⁻¹.同时更重要的是，特定的3D锥形蒸发器的形态导致盐结晶在尖端位置而不是其他部位。机理研究表明针尖优先结晶和自洁特性。

作者介绍李盛亮博士：香港城市大学化学系Senior Research Associate(高级副研究员)。近年来主要致力于有机纳米光捕获材料的分子设计及其生物医学和环境健康领域的应用研究，并在相关领域发表SCI论文60余篇，其中以通讯/第一作者发表国际权威期刊论文20余篇，包括 Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., ACS Nano, Chem. Mater., Chem. Sci., Biomaterials等。个人H指数23，其中多篇研究论文被高频引用。多项研究成果被行业旗舰刊物highlights评述，并获得新闻和新媒体报道。申请国家发明专利8项、参与撰写2本纳米和材料领域书籍。

李振声教授：香港城市大学化学系系主任，材料化学讲座教授及香港城市大学超金刚石及先进薄膜研究中心(COSDAF)主任。主要研究领域包括：有机光电材料及器件，材料界面科学，纳米生物医学等。在相关领域发表SCI论文700余篇，被引用48000余次（H-index 111），著作5部，获准美国专利16项，已主持香港研资局优配研究基金、科技创新署与香港城市大学资助等的科研项目超过50余项。同时，担任国际期刊《Materials Today Energy》主编，《Thin Solid Films》的副编辑，Nature Publishing group-《Asian Materials》的顾问委员会成员，《Materials Today》和《Materials Research Express》及《Physica Status Solidi》多个国际期刊的编委会成员。

文献信息：

Z. Huang, J. Wei, Y. Wan, P. Li, J. Yu, J. Dong, S. Wang, S. Li, C.-S. Lee, Small, n/a, 2101487.

2021, 564, 150432

使用仪器

PLS-SXE300D/DUV 氙灯光源是一款加强型光源，采用专业进口电源，纹波更低、更加稳定可靠，有效延长光源使用寿命；非金属灯箱，最大程度避免实验室电气使用安全风险；光源结构紧凑，体积小，对实验空间的需求减小；同时专利轴向吸风式散热结构，保证灯箱的有效散热。

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