陕科大王成兵教授团队 Small：扭曲工程实现水凝胶基界面蒸发器水输运的有效调控

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图 | 相关论文，来源：（Small）

图1 三种不同扭曲结构的蒸发器。(a) 高扭曲结构，(b) 低扭曲结构和(c) SHLH结构以及它们的水运输通道。SHLH结构蒸发器具有定制的水供给和相匹配的传质传热。

近期，陕西科技大学材料科学与工程学院王成兵教授团队通过控制水凝胶的扭曲度工程定制了水凝胶基界面蒸发器的水运输通道，实现了无缝的高扭曲度-低扭曲度-高扭曲度结构(SHLH)海藻酸钠水凝胶蒸发器制备。受控的扭曲度工程使得SHLH蒸发器具有了定制的水运输速率，在蒸发界面处实现了受控的水供应。基于受限的水供给，在光热转化和水供给之间建立了一个优异的能量平衡，在1个太阳光照强度下实现了3.64 kg m^-2 h^-1的蒸发速率。尤其在户外真实环境中，实现了高达4.15 kg m^-2 h^-1的蒸发速率。由于水凝胶基蒸发器的三维多孔内腔和微介结构，以及"T"型的结构设计带来的马兰戈尼效应，保证了SHLH蒸发器具有良好的抗盐结晶能力。通过制备水凝胶的过程中调控冰晶的生长，实现了水凝胶不同区域的扭曲度的调控。结合不同扭曲度结构在水供给速率不同的特点，蒸发器界面处的水供给被定制。与外部供水装置调控水量相比，被动限制了水供应，为下一代太阳能界面蒸发器管理水-能量平衡提供了新思路，揭示了太阳能界面蒸发器解决淡水危机的巨大潜力。该工作以"Tortuosity Engineering of Water Channels to Customized Water Supply for Enhancing Hydrogel Solar Evaporation"为题发表在《Small》上(Small 2024, 2402482.)。王成兵教授为论文通讯作者，硕士研究生赵泽翔为论文第一作者，陕西科技大学为唯一署名单位。

图2 SHLH结构水凝胶的制备及表面形貌表征。(a) SHLH结构水凝胶的制备示意图。在模具外部覆盖锡箔和泡沫后，模具上部、中部和底部区域的温度会有所不同。在冰晶生长过程中，由于采取了保温措施，只有底部和中间有很大的温差才能驱动冰晶生长。(b) SHLH结构水凝胶预制件的俯视图。(c) 底部具有高扭曲度部分的SHLH结构预制结构的显微放大图。(d) SHLH预制结构的光学图像。(e，f) SHLH结构预制体的顶部高扭曲度部分和中间低扭曲度部分的显微放大图。(g) 具有不规则通道的高扭曲度部分的SEM图像。该图放大显示了水凝胶基质上聚合的PPy。(h) 具有整齐排列的垂直通道的曲折部分的SEM图像。

图3 TFIPH的水运输能力。(a) TFIH和TFIPH水凝胶达到饱和含水量和达到饱和含水量所需时间的光学照片。(b) CAH，IAH，TFIH和TFIPH水凝胶的饱和含水量。(c) 纯水和具有不同扭曲结构的TFIPH在宣纸中的水传输距离。(d) 纯水和具有不同扭曲度结构的TFIPH在不同时间的水透射的光学照片。

该工作是团队近期关于进一步寻求太阳能界面水蒸发中能量匹配，实现更高效的能量转化的相关研究的最新进展之一。淡水危机引发了人们高效获取淡水的需求，为此团队长期致力于高效太阳能界面蒸发器的研发。近年来，团队开发了一系列高效的太阳能界面蒸发器，在Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Nano Today, Adv. Funct. Mater., Nano Energy，Small等期刊发表论文50余篇。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202402482

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