马里兰大学胡良兵教授和Prof.Siddhartha Das: 仿生-受树启发的高效水提取

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近日，美国马里兰大学胡良兵教授和Siddhartha Das教授等利用天然木材制备了高性能太阳能蒸汽发生器件，并在Adv. Mater.上发表了题为“Tree-Inspired Design for High-Efficiency Water Extraction”的研究论文。原始、自然的木材沿管腔方向进行可控表面碳化，从而构建了一种独特的双层结构。上层结构负责光的捕获，下层结构是天然的水输运材料，两层间实现了不破坏管腔微结构的连接。上述受树启发的设计为高效水提取提供了独特的优势，包括快速运输和蒸发水、表面碳化所致的较高光吸收(≈99%)、较低的热导率(以避免热损失)和低廉的成本。器件展现了独特的地下水光热提取能力，从海水中制备淡水也表现出很高的效率。受树启发的设计提供了一种廉价、可扩展的太阳能收集和蒸汽产生技术，可以在全球很多地方提供清洁水资源，尤其是农村或偏远地区。

图1双层木材作为廉价、可扩展、高效的太阳能海水淡化材料的示意图

a) 大树将水从地面传输到树顶以维持蒸腾作用的示意图；

b) 受大树启发设计双层木质结构插图；

c) 双层木提取不同环境的淡水：地下水(沙子或土壤中)和海水。

图2  双层木的制备、表征以及作为水提取材料的可行性

a) 双层木简单的制备过程；

b) 修长规整的木微孔道的SEM图像；

c) 导管内腔的高分辨SEM图像；

d) 细胞壁细节处的SEM图像；

e,f) 双层木器件的吸水演示实验；

g) 双层木(4.5 cm×4.5 cm×2.9 cm)吸收水饱和前后的比重。

图3  双层木以地下水(湿砂)和海水为水源的光热蒸发性能

a) 不同光强照射双层木表面所产生蒸汽的照片；

b) 不同光强下光热蒸发的动力学；

c) 放置在湿砂上的双层木地下水提取性能；

d) 双层木地下水实验的增加因子；

e) 不同的光强下使用双层木对地下水提取的光热蒸发效率；

f) 放置在海水中的双层木海水淡化性能；

g) 不同光强下双层木海水淡化的增加因子；

h) 不同光强下双层木的海水淡化效率。

图4  用于太阳能蒸汽生成的双层木独特优势：光热管理以及流体输运

a) 木材独特的微观结构带来的高效光捕获、吸收和热隔离功能示意图；

b) 光与双层木相互作用的光吸收、光穿透深度模拟；

c) 双层木、无定形碳、天然木材的实验吸收光谱；

d) 不同光强下双层木的温度分布的红外图像；

e) 炭化表面的SEM图像；

f) 基于e图SEM图像所得结构参数的3D CAD模型；

g) 沿着木导管的不同截面水输运模拟结果。

图5  双层木用于实际水提取的稳定性、可扩展性和海水脱盐效果

a) 双层木光热蒸发稳定性；

b) 不同太阳强度下的双层木蒸发循环性能；

c) 由较小的双层木块组装成的22 cm×18 cm双层木，展示了其可扩展大小的能力；

d) 双层木脱盐前后海水中四种代表性基本离子浓度比较。

自然中丰富的和低成本(≈$1 m-2，远低于任何其他现有技术)的双层木提供了一种实用的太阳能光热蒸发(从海水、沙滩和土壤)提取水的解决方案，能够向偏远或灾区提供必需的清洁水。廉价、高效、受树启发的全木设计解决了限制太阳能收集和蒸汽产生大规模应用的材料方面的问题。

论文链接：

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201704107/full

来源：材料人网

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