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陜科大王成兵教授團隊 Small：一種用于穩定飽和鹽水淡化的極耐鹽水凝膠基太陽能蒸發器

2025-03-07 來源：高分子科技

近期，陜西科技大學材料科學與工程學院王成兵教授團隊通過采用一鍋原位策略和定向冷凍方法，創新地設計了具有定向垂直通道結構(FCHE-VP)的殼聚糖水凝膠蒸發器。通過定向冷凍形成的垂直通道結構，鹽離子可以迅速返回，而蒸汽可以無障礙地溢出，使蒸發器能夠同時實現高蒸發速率和出色的耐鹽性。在 3.5 wt% 的模擬海水中，在1個太陽光照強度下實現了 3.25 kg m^-2 h^-1 的蒸發速率。更重要的是，即使在飽和鹽水（鹽度為 26.47 wt%）中，也能實現極強的耐鹽性，在連續蒸發 8 小時以上，蒸發器表面沒有鹽晶體積累，并且在一個1個太陽光照強度下具有 2.83 kg m^-2 h^-1 的優異蒸發速率，為解決水凝膠在蒸發過程中高蒸發速率和耐鹽性相互排斥的困境提供了新思路，同時提高了用于高鹽度海水淡化的水凝膠蒸發器的實用性。該工作以"An Extremely Salt-Resistant Hydrogel-Based Solar Evaporator for Stable Saturated Brine Desalination"為題發表在《Small》。王成兵教授為論文通訊作者，碩士研究生靳晶晶第一作者，陜西科技大學為唯一署名單位。

圖1 垂直通道蒸發器的優點示意圖。a）FCHE?RP 具有隨機孔隙結構的常規太陽能蒸發器原理圖（左）。缺乏足夠的水傳輸會導致鹽沉積在蒸發表面，最終阻止蒸汽逸出（右）。b）新型垂直排列結構的FCHE-VP太陽能蒸發器原理圖，同時實現了快速的水輸送和耐鹽性（左）。充足的水傳輸允許在高鹽度鹽水中實現出色的長期耐鹽性，同時實現高效的蒸汽逸出（右）。

圖2 FCHE?VP 水凝膠的構建和表征。a）FCHE-VP 的圖解（上）和FCHE-VP頂部表面的光學照片（下）。b, c） FCHE-VP 橫截面的 SEM 圖像。d）水凝膠孔壁的 SEM 圖像。e, f） FCHE-VP 縱截面的 SEM 圖像。g, h） FCHE-VP 的 SEM 圖像和相應的 EDS 圖譜顯示Fe 元素均勻分布在 FCHE-VP 中。i） CHE-VP、FCHE-VP₄ 和 FCHE-VP₇ 的 XRD 和 j） FTIR 圖譜。k） CHE-VP、FCHE-VP₄、FCHE-VP₇ 和 FCHE-VP₁₀ 的 XPS 圖。

圖 3. FCHE?VP 水凝膠的機械性能和水傳輸。a）干燥的 FCHE-VP 放置在葉片上的光學照片。b, c) FCHE?VP 水凝膠的壓縮回彈性和壓縮應力-應變曲線。d） FCHE-VP 水凝膠的彎曲和折疊性能。e） CHE-VP、f） FCHE-VP 和 g） FCHE-RP 水凝膠的水接觸測試。

基于水凝膠的太陽能蒸發器因其通過降低蒸發焓的“水活化”效應而具有出色的蒸發性能，受到研究者廣泛關注。然而，當前的挑戰是在高蒸發速率和耐鹽性之間進行權衡。該工作是團隊近期關于解決水凝膠在蒸發過程中高蒸發速率和耐鹽性相互排斥困境的最新進展之一。淡水危機引發了人們高效獲取淡水的需求，為此團隊長期致力于高效太陽能界面蒸發器的研發。近年來，團隊開發了一系列高效的太陽能界面蒸發器，在Energy Environ. Sci.,Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Nano Today, Adv. Funct. Mater., Nano Energy，Small等期刊發表論文50余篇。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202411624

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（責任編輯：xu）

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