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陜科大王成兵教授團隊 Small：一種用于穩(wěn)定飽和鹽水淡化的極耐鹽水凝膠基太陽能蒸發(fā)器
2025-03-07  來源：高分子科技

  近期，陜西科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(chuàng)新地設(shè)計了具有定向垂直通道結(jié)構(gòu)(FCHE-VP)的殼聚糖水凝膠蒸發(fā)器。通過定向冷凍形成的垂直通道結(jié)構(gòu)，鹽離子可以迅速返回，而蒸汽可以無障礙地溢出，使蒸發(fā)器能夠同時實現(xiàn)高蒸發(fā)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(xiàn)了 3.25 kg m-2 h-1 的蒸發(fā)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(xiàn)極強的耐鹽性，在連續(xù)蒸發(fā) 8 小時以上，蒸發(fā)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(yōu)異蒸發(fā)速率，為解決水凝膠在蒸發(fā)過程中高蒸發(fā)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(fā)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(fā)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(xué)為唯一署名單位。


圖1 垂直通道蒸發(fā)器的優(yōu)點示意圖。a）FCHE?RP 具有隨機孔隙結(jié)構(gòu)的常規(guī)太陽能蒸發(fā)器原理圖（左）。缺乏足夠的水傳輸會導(dǎo)致鹽沉積在蒸發(fā)表面，最終阻止蒸汽逸出（右）。b）新型垂直排列結(jié)構(gòu)的FCHE-VP太陽能蒸發(fā)器原理圖，同時實現(xiàn)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(xiàn)出色的長期耐鹽性，同時實現(xiàn)高效的蒸汽逸出（右）。


圖2 FCHE?VP 水凝膠的構(gòu)建和表征。a）FCHE-VP 的圖解（上）和FCHE-VP頂部表面的光學(xué)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(yīng)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(xué)照片。b, c) FCHE?VP 水凝膠的壓縮回彈性和壓縮應(yīng)力-應(yīng)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(fā)器因其通過降低蒸發(fā)焓的“水活化”效應(yīng)而具有出色的蒸發(fā)性能，受到研究者廣泛關(guān)注。然而，當(dāng)前的挑戰(zhàn)是在高蒸發(fā)速率和耐鹽性之間進行權(quán)衡。該工作是團隊近期關(guān)于解決水凝膠在蒸發(fā)過程中高蒸發(fā)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(fā)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(fā)器的研發(fā)。近年來，團隊開發(fā)了一系列高效的太陽能界面蒸發(fā)器，在Energy Environ. Sci.,Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Nano Today, Adv. Funct. Mater., Nano Energy，Small等期刊發(fā)表論文50余篇。


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

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