中科院化学所宋延林研究员团队《Adv. Mater.》: 3D打印仿生高效排盐太阳能蒸发器及农业应用
全球有四分之一的人口面临着水资源短缺的问题，而利用太阳能实现海水淡化技术被认为是获取淡水资源的可持续的途径。近年来，各国研究者通过在材料设计、水/蒸气/盐通道以及光热调控方面进行不断改进，以提高蒸发速率和光热转换效率。然而，太阳能蒸发器在面向实际应用过程中还面临着蒸发器制备繁琐、材料耐候性差以及长期抗盐耐用性低的问题。
近日，中国科学院化学研究所宋延林研究员团队，利用3D打印技术构筑出一种表面具有仿猪笼草结构的3D 桥拱形太阳能蒸发器，实现水供应、排盐、太阳能蒸发“多合一”功能的连续蒸发过程。仿猪笼草结构确保体相水的快速补充与供应；桥拱形设计提供整体结构的均匀连续性，实现盐分的外排，防止盐的析出；3D结构保证其表面构筑薄层液膜以实现太阳能热量的局域化，提高光热转换效率。通过自漂浮式蒸发器设计，一个太阳光下的太阳能蒸发量为1.64 kg m-2 h-1，能量效率为91％。3D打印和固化过程使得光热材料嵌入至树脂内部，进而提高了蒸发器的机械性能与稳定性。海水淡化所获淡水达到WHO饮用标准，并可直接用于农作物种植。
图1 3D打印仿生桥拱形蒸发器的制备过程
研究人员搭建了DLP连续3D打印系统(Research, 2018, 2018, 4795604)，打印出表面具有仿猪笼草微坑结构的3D桥拱蒸发器，其对保证连续蒸发起到了关键作用。光热材料在打印过程中嵌入至基底材料内部，能够保证长期的使用。
图2 不同结构蒸发器的蒸发性能
他们还对不同结构的蒸发器进行了蒸发性能测试，参数优良的蒸发器的蒸发速率为1.64 kg m-2 h-1，光热转换效率为91％。对蒸发器表面温度分布进行观测发现，蒸发器表面形成了从桥顶到桥底的温度梯度分布。
图3 蒸发器排盐机理探究
在仿猪笼草微坑凹槽的作用下，蒸发器表面上形成的连续水膜由上下两层构成：下层的限域层与上层的自由流动层。下层的限域层保持水膜的连续以快速补充液体；上层的自由流动层由于温度梯度引起的Marangoni对流速度足够快，可以抑制盐在高温区域的积聚，实现长时期稳定排盐。即使在10 wt% NaCl的盐水中连续蒸发200 h，蒸发器结构表面也无盐分析出，为实现自动化连续海水淡化提供了新的策略。
图4 蒸发器的水净化能力与农作物种植
该研究还创新发展了海水淡化太阳能蒸发器的应用，搭建出海水淡化-作物种植连动系统，将获得的清洁水用于作物种植，为可持续海岛农业种植提供了一种有前景的方案。获得的清洁水达到WHO的饮用标准，细胞毒性检测验证了其生物安全性。
该工作以“3D Printing a Biomimetic Bridge-Arch Solar Evaporator for Eliminating Salt Accumulation with Desalination and Agricultural Applications ”为题发表在《先进材料》上。论文的第一作者为中科院化学所硕士生邹苗苗，通讯作者为宋延林研究员与吴磊副研究员。该项工作得到了科技部、国家自然科学基金委、北京分子科学国家研究中心、中国科学院青年创新促进会的支持。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202102443
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