成果速递| 我组通过微通道壁面工程解决生物质蒸发器积盐难题

近日，课题组在太阳能界面水蒸发领域取得新进展，研究成果以“Bioinspired Design of Hierarchical Aerogel Evaporator via Cell Wall Engineering for Highly Efficient and Sustainable Solar Desalination”为题发表于Wiley旗下期刊EcoMat上。

研究背景

人类的生存与发展严重依赖淡水资源，目前全球三分之一的人口面临着淡水短缺的危机。考虑到海水的广泛分布，利用太阳能进行海水淡化被认为是获得净水最有前景的方法之一。然而，传统太阳能海水淡化技术受到低蒸发效率（约35%）的限制。近年来，新兴的太阳能界面蒸发技术通过将光热转换区域集中在气液界面，大幅提高了蒸发效率（＞70%）。

界面蒸发器的材料和结构是决定其蒸发效率和长期稳定性的关键。已有多种材料被用于制造太阳能蒸发器，其中，生物质由于其成本低、环保、加工简单、可持续等优势而备受关注。然而，在连续的海水淡化过程中，生物质蒸发器表面会发生积盐现象，影响光吸收并阻碍蒸汽逸散，导致蒸发速率迅速下降，严重制约了蒸发器的长期稳定性。目前，生物质蒸发器的抗盐策略一般是通过宏观结构设计，例如构建毫米级通孔以促进蒸发表面积盐的回溶。然而，宏观抗盐结构通常会损坏蒸发表面，减小蒸发面积，降低蒸发速率 (1.0–1.2 kg m^–2 h^–1)。因此，在保持高效蒸发的前提下解决生物质蒸发器的积盐难题是领域中的一个巨大挑战。

成果简介

为了解决上述挑战，课题组李林副教授、唐大伟教授等人受植物的茎叶结构启发，提出了微通道壁面工程策略，以天然生物质多孔材料为基底，构建了具有仿生分级微通道的碳气凝胶（HPCA）。与传统生物质内部微观结构不同，HPCA内部的微通道孔径更大，而且微通道壁面分布有大量的纳米突刺。其中，具有大孔径（~10 μm）的微通道作为“茎”保障蒸发过程的水供给和盐分扩散，而微通道壁面大量的纳米突刺作为“叶”不仅扩展蒸发面积而且增强光在孔内的多重反射。这种微通道壁面工程通过改造生物质多孔介质的微观结构，在微纳尺度上大幅提高了生物质的光吸收、水供给和离子传输能力。不仅解决了生物质蒸发器的积盐难题，而且无需破坏蒸发器的整体宏观结构，在抗盐的同时保持了高效蒸发。研究显示，HPCA的光吸收效率达到了98.9%，在一个太阳强度下的蒸发速率高达1.89 kg m^-2 h^-1，是目前已报道生物质蒸发器的最高水平之一。不仅如此，HPCA在15 wt% 的高浓盐水可以连续工作100 h以上，蒸发表面始终无积盐产生。此工作为解决生物质蒸发器的积盐难题提供了全新思路。论文的第一作者是我组博士生张昊天。

图1：微通道壁面工程构建的仿生分级碳气凝胶（HPCA）设计概念图

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/eom2.12216