新《爱莲说》：仿生多孔光热材料助力海水淡化 | Cell Press青促会述评

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物质科学

Physical science

作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。

第十三期专栏文章，由来自中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员、中国科学院青年创新促进会会员 张佳玮，就 Cell Reports Physical Science 中的论文发表述评。

如果只给你几样简单的工具，让你去荒岛上或者丛林里进行生存挑战，你会选择带着什么工具呢？面对这个问题，我们可能会联想起大名鼎鼎的贝爷（贝尔·格里尔斯），他经常上演带一把匕首勇闯天涯的好戏。不过，贝爷活吞虫子、生嚼树根的功夫也并不是大家都具备的，对于普通人来说，寻找清洁的淡水来源可谓是野外生存第一要务，毕竟水是生命之源嘛。其实更确切地说：淡水是生命之源。人们的生产生活都离不开淡水资源。地球上虽然水资源丰富，但是由于含盐度太高而不能直接饮用或灌溉的海水占据了地球上总水量的 97%以上，仅剩不到 3%的淡水，其分布也极其不均。随着经济的发展和人口的增加，人类对淡水资源的需求不断增加，再加上存在不合理开采和污染等问题，淡水资源短缺已严重制约了某些地区的社会及经济的进一步发展。为了解决淡水资源短缺问题，十分有必要开发利用某些不可用水，比如将海水淡化，或将污水变为可饮用水。

对海水进行脱盐及净化，可以有效增加淡水资源总量，是解决淡水资源短缺和污染的重要措施。目前商业化的大型海水淡化装置通常成本较高，而太阳能是一种取之不尽、绿色无污染的可再生能源，利用太阳能蒸馏法实现水的净化，是缓解淡水资源短缺的重要途径之一。与传统的太阳能驱动的海水本体蒸发技术相比（效率通常在30%~45%），新兴的太阳能界面光热蒸发因可有效提升光热转换效率（最高可达90%以上）而受到越来越多的关注。太阳能光热蒸发材料体系通常包括三个部分：用来收集太阳能的光热转化材料，输运水分的亲水、多孔材料，以及阻隔热向水体传输的热绝缘材料。通常情况下，一种材料通常很难兼具上述三种功能，且在实际应用中还面临稳定性的问题。

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近期Cell Reports Physical Science （CRPS）报道了中国科学技术大学俞书宏院士团队的最新成果—利用仿生多孔材料实现高效太阳能光热蒸发。受到荷叶的上下表面对水的润湿性不同，以及莲藕具有多孔结构的启发，研究人员将间苯二酚-甲醛树脂在800 ^oC下碳化，使其三维碳骨架上形成类似莲藕的平行介孔结构，进而在其表面聚合亲水性的多巴胺，最后在上表面修饰¹H，¹H，²H，²H-全氟癸基-三乙氧基硅烷，得到下端超亲水，上层超疏水的非对称结构。也就是说，当水珠滴在材料的上表面时，可像在荷叶上表面一样滚来滚去，而下端超亲水的多孔结构可使水通过毛细作用迅速向上运输，在2 min内水可向上传输19 mm。黑色的表面使其对波长250到2500 nm范围的光的吸收率高达97%，而其独特的多孔结构又使得材料的导热率低至0.12 W m^-1 K^-1。

▲图1  光热蒸发材料的仿生结构示意图

下面我们来看材料的光热集水表现，在1个太阳下（光强为1kW/m²，通常我国夏季日照强度约为1个太阳），漂浮在水面上的材料的表面温度可在2 min内升至约38 ^oC，从而使材料表面的水较快地变为水蒸气。如果将水蒸气冷凝收集，1平方米的材料1小时可产生1.597 kg淡水，可以满足1个普通成年人一天的饮用水需求。无论是利用海水还是湖水进行蒸发，所收集的淡水中的Na⁺，K⁺，Mg²⁺，Ca²⁺四种离子的含量都满足世卫组织饮用水标准。

▲图2  仿生多孔材料用于太阳能界面光热蒸发实验

不但蒸发效率高，材料的耐候性也令人刮目相看。不管是在酸（0.1 mol L^-1 H₂SO₄）、碱（0.1 mol L^-1 KOH）或强氧化剂（0.1 mol L^-1 HNO₃）中，材料的光热集水能力都几乎不受影响，饱和盐水（150 g L^-1 KCl）也只是令材料的光热蒸发效率有稍微降低，且所收集的淡水中离子含量都满足饮用水标准。进一步实验表明即便在极端环境中处理两周时间，材料依然可以保持其表面的润湿性能。

▲图3  材料的耐候性实验

周敦颐在《爱莲说》中写道“予独爱莲之出淤泥而不染，濯清涟而不妖，中通外直，不蔓不枝，香远益清，亭亭净植，可远观而不可亵玩焉。”莲不仅是花之君子，寓意高洁、清廉，还可以给科学研究带来启示。该研究借鉴荷叶上下表面的浸润性不同，以及莲藕的多孔结构，制备了上表面超疏水、下端超亲水，且具有双重孔结构的仿生光热材料，材料具有优异的光吸收能力、快速水输运能力、以及低的热导率，可在太阳光下高效地将海水转化为可饮用的淡水，且可在苛刻环境中持续运行，具有良好的应用前景。

如果贝爷看过这篇论文，他或许会把一块太阳能光热蒸发材料装进他的行囊。

论文摘要

太阳能界面光热蒸发是一种可用于海水淡化和污水处理的实用且可持续的技术。然而，在实际应用中常受到蒸发效率和长期稳定性的限制。本研究展示了一种具有非对称润湿性和两种毛细孔结构的仿生蒸发器用于高效、稳定的光热淡水收集。光热材料像荷叶一样上下表面的润湿性不同，超疏水的上表面可以阻断水的传输，从而有效截留水里的盐并实现高效的太阳光吸收，超亲水的下端可以促进水的快速输运。其三维大孔支架中含有类似莲藕结构的平行介孔，从而有效降低了材料的密度，使材料可以漂浮在水面上，并降低了材料的导热性。仿生结构设计使水的汽化焓低至1846 J g^-1，与其它光热材料相比，在相同的转化效率下具有更高的蒸发速率。本研究将为开发高性能光热蒸发系统提供新思路。

Solar thermal conversion (STC) evaporation is a practical and sustainable technology for seawater desalination and sewage abatement. However, both the limited evaporation efficiency and longterm conversion stability restrain its practical application. Herein, a lotus morphology-inspired biomimetic evaporator (MBE) with Janus wettability and bimodal pores is well designed for high-rate and enduring STC evaporation. Just like lotus leaves, the hydrophobic surface of the MBE cuts off the capillarity of water, hence achieving high-efficient salt resistance and solar absorption, while the hydrophilic substance provides fast water transportation. The bimodal-pore structures formed by incorporating lotus rootlike mesopores into the 3D truss-like macropores effectively decrease density and thermal conductivity for self-floating and thermal regulation. This results in a low water vaporization enthalpy of 1846 J g^-1, leading to a much higher evaporation rate at the same conversion efficiency. This work may open new avenues for developing high-performance evaporation systems.

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中文内容仅供参考，请以英文原文为准

评述人简介

张佳玮

中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员

中国科学院青年创新促进会会员

[e-mail]

张佳玮，中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员，博士生导师，中国科学院青年创新促进会会员。主要从事仿生智能高分子驱动材料的研究。

Jiawei Zhang is a professor of Institute of Ningbo Institute of Material Technology and Engineering, Chinese Academy of Sciences, and membership of Youth Innovation Promotion Association, Chinese Academy of Sciences. Her research interests is focused on intelligent deformable polymers including shape memory polymers and polymeric actuators.

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相关论文信息

原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊 Cell Reports Physical Science上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

中国科学院青年创新促进会（Youth Innovation Promotion Association，Chinese Academy of Sciences）于2011年6月成立，是中科院对青年科技人才进行综合培养的创新举措，旨在通过有效组织和支持，团结、凝聚全院的青年科技工作者，拓宽学术视野，促进相互交流和学科交叉，提升科研活动组织能力，培养造就新一代学术技术带头人。

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