太陽(yáng)能蒸發(fā)器被認(rèn)為是解決水資源短缺問(wèn)題的一種前瞻性方法。最近，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)胡振琪教授、王虹教授團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種基于氣凝膠的太陽(yáng)能蒸發(fā)器，具有自推進(jìn)和自修復(fù)行為，可實(shí)現(xiàn)有效的海水淡化和增強(qiáng)的重金屬去除。氣凝膠太陽(yáng)能蒸發(fā)器由具有不對(duì)稱(chēng)金沉積層的席夫堿水凝膠通過(guò)簡(jiǎn)單的冷凍干燥方法制備。
水凝膠由殼聚糖和二醛淀粉組成，Au層產(chǎn)生熱梯度來(lái)驅(qū)動(dòng)氣凝膠太陽(yáng)能蒸發(fā)器的自推進(jìn)。此外，席夫堿水凝膠中涉及的動(dòng)態(tài)連接使氣凝膠太陽(yáng)能蒸發(fā)器具有在外部損壞時(shí)的自愈能力。同時(shí)，使用席夫堿骨架作為氣凝膠蒸發(fā)器與水分子之間的相互作用位點(diǎn)，以降低水的蒸發(fā)焓。
此外，氣凝膠蒸發(fā)器被設(shè)計(jì)成小橢圓球體和多孔結(jié)構(gòu)，這為氣凝膠蒸發(fā)器提供了優(yōu)異的水蒸發(fā)行為，在 1 太陽(yáng)光照射下，在天然海水中的蒸發(fā)率為 3.12 kg m-2 h-1。這種太陽(yáng)能蒸發(fā)器的自推進(jìn)能力和自愈性能提供了凈化效率提高、耐久性好、穩(wěn)定性好（第10天保持88.2%以上）和高抗鹽性（200 g·kg-1保持80%）等優(yōu)點(diǎn)。更值得注意的是，水中的重金屬離子在蒸發(fā)后已被有效去除至可飲用的水平。這些結(jié)果證明自走式氣凝膠太陽(yáng)能蒸發(fā)器在現(xiàn)場(chǎng)海水淡化和凈化的實(shí)際應(yīng)用中具有廣闊的前景。相關(guān)論文以題為Self-Propelled Aerogel Solar Evaporators for Efficient Solar Seawater Purification發(fā)表在《Langmuir》上。
【主圖導(dǎo)讀】
圖 1. (a) 示意圖制造過(guò)程、(b) 結(jié)構(gòu)示意圖、(c) FTIR 光譜、(d) SEM 圖像和 (e) 氣凝膠蒸發(fā)器的 EDS 映射。
圖 2. 近紅外光下氣凝膠蒸發(fā)器的運(yùn)動(dòng)軌跡，功率為 (a) 1.5 和 (b) 2 kW m-2，持續(xù) 6 秒。(c) 在 NIR 光下氣凝膠蒸發(fā)器的 MSD-Δt 圖。
圖 3. (a) 氣凝膠蒸發(fā)器自修復(fù)過(guò)程的 SEM 圖像。愈合后的氣凝膠微電機(jī)在近紅外光下的運(yùn)動(dòng)軌跡，功率為（b）1.5 和（c）2 kW m-2，持續(xù) 6 秒。（d）在近紅外光下原始和愈合的氣凝膠蒸發(fā)器的速度。
圖4. (a) 氣凝膠蒸發(fā)器的吸收光譜和 (b) 水接觸角。
圖 5. 氣凝膠蒸發(fā)器在 1 太陽(yáng)光照射下的水分蒸發(fā)性能。(a)氣凝膠蒸發(fā)器上表面的溫度變化，水蒸發(fā)過(guò)程中氣凝膠底部和正下方的水。(b) 質(zhì)量隨時(shí)間的變化。(c) 連續(xù)海水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)。(d) 鹽度范圍為 0 至 300 g kg-1 時(shí)的耐鹽性能。
圖 6. (a) 太陽(yáng)能脫鹽性能和 (b) 氣凝膠蒸發(fā)器的金屬離子吸附行為。
【總結(jié)】
團(tuán)隊(duì)通過(guò)簡(jiǎn)單的冷凍干燥方法制造了自走式氣凝膠蒸發(fā)器。由席夫堿水凝膠和沉積的金層組成的氣凝膠蒸發(fā)器被設(shè)計(jì)成具有高度多孔結(jié)構(gòu)的橢圓形。在1個(gè)太陽(yáng)光照下，自來(lái)水蒸發(fā)速率可達(dá)3.2 kg m–2 h–1，天然海水蒸發(fā)速率可達(dá)3.12 kg m–2 h–1。蒸發(fā)器的自推進(jìn)，由 Au 層產(chǎn)生的熱梯度驅(qū)動(dòng)，增加了一個(gè)特殊的運(yùn)動(dòng)維度來(lái)執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)凈化任務(wù)，并提供了通過(guò)自攪拌提高效率的可能性。同時(shí)，動(dòng)態(tài)席夫堿鍵和氫鍵賦予的自修復(fù)性能使氣凝膠蒸發(fā)器具有良好的耐久性和穩(wěn)定性。此外，席夫堿與金屬離子螯合的能力減少了蒸發(fā)后水中的重金屬離子。其在海水淡化和重金屬去除方面的優(yōu)異性能以及自愈和自推進(jìn)特性為實(shí)用的現(xiàn)場(chǎng)太陽(yáng)能水凈化提供了可能性。
