水資源短缺是當代社會面臨的嚴峻挑戰。利用太陽能蒸發進行海水淡化，可以在降低化石燃料消耗的同時，產生清潔可飲用的淡水，這對于緩解水資源與能源危機都具有重要的意義。近年來，太陽能界面蒸發系統受到了廣泛關注。盡管在太陽能轉化效率方面取得了進展，但在海水淡化應用中裝置的便攜性以及蒸發過程的鹽堵塞問題，仍是阻礙界面太陽能蒸發器發展的巨大挑戰。
基于此，南方科技大學材料系郭傳飛課題組從折紙中獲得靈感，選用形狀記憶復合材料（交聯聚環辛烯為基體，碳納米管為填料）設計了高性能、可折疊兼具監測鹽堵塞功能的柔性太陽能蒸發系統。該界面蒸發系統具有優異的形狀記憶效應，可以折疊至原尺寸的1/9，并在使用時于陽光下按需自展開。此外，該界面蒸發系統通過監測電容信號，實現了實時、原位監測鹽結晶和鹽堵塞。由于其具有高的太陽能轉換效率、良好的便攜性和原位監測鹽堵塞能力，這種新型的界面蒸發系統在海水淡化領域具有巨大的應用潛力。該工作以“Shape-Programmable Interfacial Solar Evaporator with Salt-Precipitation Monitoring Function”為題發表在《ACS Nano》雜志上。
圖1. 形狀記憶太陽能蒸發器的原理、制備和基本性能
本工作中的形狀記憶吸收體泡沫利用鎳泡沫作為犧牲模板制備，鎳泡沫的網絡結構確保了吸收體泡沫的高互聯性，保證了太陽能蒸發過程中水的運輸（如圖1所示）。形狀固定率（Rf）和形狀回復率（Rr）是描述形狀記憶效應最重要的關鍵參數，該形狀記憶泡沫保持了良好的形狀記憶效應，Rf和Rr分別高達92%和93%。另外，該吸收體泡沫在300至2500nm光譜范圍內吸收率高于97%，這得益于碳納米管的高本征吸收率和多孔結構對光的多次反射。
形狀記憶蒸發器可對熱刺激響應。實驗中蒸發器被單層折疊，形成折紙。隨著溫度升高，該折紙可以實現自展開。如圖2所示，在30°C時折紙保持折疊形狀，在40°C時開始展開，最后在60°C時自動展平。該過程也可用有限元進行模擬，結果顯示折紙的展開過程伴隨著壓縮應變的釋放，壓縮應變在展開結束時幾乎為零。
圖2. 折紙在不同溫度下的形狀回復過程
該形狀記憶蒸發器具有優異的光熱轉化能力，對光刺激可快速響應。如圖3所示，雙層折疊的蒸發器在光照下僅需10 s即可完全展開。展開的太陽能蒸發器在0.5、1、2和6個太陽的照射下蒸發純水的速率分別為0.55、1.26、2.5和8.1 kg m-2 h-1，太陽能轉化效率分別為59%、83%、88%和95%，表明隨著光照強度的增加，光的轉化率提高。另外，隨著鹽溶液濃度增加，蒸發速率會降低，該現象符合拉烏爾定律。
圖3. 折紙在光照下的形狀回復過程及其太陽能蒸發性能
在海水淡化過程中，鹽顆粒沉積會堵塞蒸發器中的水輸送通道，導致太陽能蒸發性能下降。實際上，當蒸發器放置于海水上時，無法有效觀察吸收體內部鹽顆粒的沉淀。因此，有必要開發一個系統來實時監測鹽沉淀。由于鹽的沉淀與鹽濃度密切相關，通過監測鹽的濃度可以預測鹽沉淀的發生。本工作通過監測吸收體泡沫-溶液界面形成的雙電層的電容信號，可以精確測量界面的鹽濃度變化。這是因為雙電層的電容取決于界面面積和界面溶液的鹽濃度，其中界面面積固定不變，因此電容信號僅隨鹽濃度變化。本工作為實時原位監測海水淡化中鹽顆粒的結晶和沉積提供了一種簡單有效的策略。
圖4. 實時原位鹽沉積的監測
南方科技大學材料科學與工程系郭傳飛副教授為論文唯一通訊作者，博士后趙玲玉為論文第一作者，南方科技大學為第一單位和通訊單位。該研究得到了國家自然科學基金、深圳市科學技術創新委員會、廣東省珠江人才計劃創新創業團隊項目等項目的支持。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c01294
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