全球人口的急劇增長，使得用水量不斷增加，同時世界范圍內(nèi)的水污染日益嚴(yán)重，許多可利用的淡水資源遭到破壞。日益嚴(yán)重的淡水短缺現(xiàn)象已構(gòu)成全球性難題，嚴(yán)重阻礙了人類文明的發(fā)展。近年來，太陽能光熱海水淡化技術(shù)被公認(rèn)為一種綠色清潔的水凈化方式，有望實(shí)現(xiàn)低成本、低污染的淡水資源供給。近期，東華大學(xué)的研究團(tuán)隊以西瓜果肉為原料制備了一種三維碳?xì)饽z，可以作為太陽能海水淡化的有效光熱材料。

據(jù)預(yù)測，到2025年，超過50%的國家將面臨淡水危機(jī)；到2050年，世界上75%的人口將面臨水資源短缺。太陽能驅(qū)動的海水蒸發(fā)僅需要太陽光和海水就能夠生產(chǎn)淡水，是緩解水資源短缺的最理想策略之一。

太陽能海水淡化技術(shù)的關(guān)鍵是開發(fā)高性能的光熱蒸發(fā)材料。然而，長時間蒸發(fā)后，光熱材料的蒸發(fā)面往往會有大量海鹽析出，形成的鹽層會反射陽光和阻擋蒸汽逸出，導(dǎo)致蒸發(fā)速率降低。為解決這一問題，目前已經(jīng)開發(fā)了多種策略，包括物理去除、加速溶解、裝置設(shè)計、靜電排斥等，但其實(shí)際應(yīng)用仍受到材料成本高和蒸發(fā)率低的阻礙。

陳志鋼教授（左），張麗莎教授（右）

為了解決以上問題，東華大學(xué)陳志鋼教授、張麗莎教授等研究人員通過西瓜果肉的水熱-碳化/冷凍干燥/碳化處理制備了具有分級孔隙的三維碳?xì)饽z（CA）。CA由卷曲碳薄片（厚度約2μm）和大孔（尺寸200-400μm）組成，源自植物細(xì)胞的碳化。更加值得一提的是，大量約200nm的納米粒子位于這些薄片上，伴隨著尺寸為200-400 nm的納米孔的形成。這些分層的宏觀/納米孔可以充當(dāng)“光阱”，賦予250-2500nm范圍內(nèi)的廣泛光吸收，太陽能吸收效率達(dá)93%，光熱轉(zhuǎn)化率高。

圖源：材料分析與應(yīng)用

此外，1m^2的CA蒸發(fā)器成本不超過16.43美元，低于或與其他蒸發(fā)器相當(dāng)。此外，將CA插入環(huán)狀聚苯乙烯泡沫中，即可構(gòu)建出一個可以漂浮在海水上的三維蒸發(fā)器。氣凝膠的層次結(jié)構(gòu)和親水性促進(jìn)了強(qiáng)大的多孔結(jié)構(gòu)的作用力，從而有效地輸送海水。CA的低導(dǎo)熱率有效地抑制了散裝水的熱量損失。在模擬太陽光（1kWm-2）的照射下，蒸發(fā)器的蒸發(fā)率高達(dá)2.32kgm-2h-1并長期穩(wěn)定。因此，CA不僅能作為太陽能海水淡化的有效光熱材料，也為開發(fā)其他生物質(zhì)衍生蒸發(fā)器提供了一些思路。近期，此項成果以名為“Watermelon flesh-derived carbon aerogel with hierarchical porous structure for interfacial solar steam generation”的論文發(fā)表于RRL Solar期刊。

陳志鋼教授團(tuán)隊此前已在太陽能海水淡化蒸發(fā)器領(lǐng)域取得了一系列成果。2021年，團(tuán)隊報道了一種受向日葵啟發(fā)的，基于分層聚丙烯腈 硫化銅（PAN CuS）織物的向日蒸發(fā)器。在該向日蒸發(fā)器中，海水可以在兩個光熱織物表面蒸發(fā)，從而具有更大的表面積和高蒸發(fā)率。此外，傾斜的織物能夠有效地轉(zhuǎn)移和富集海水中的溶質(zhì)，從而避免織物上的固體鹽結(jié)晶。可變的織物傾斜角能夠在寬入射角范圍（從-90°到+90°）內(nèi)最大程度地捕獲傾斜的太陽光，從而防止蒸發(fā)減少，減少比率顯著改進(jìn)了83.9%。該研究以題為“Hierarchical Photothermal Fabrics with Low Evaporation Enthalpy as Heliotropic Evaporators for Efficient,Continuous,Salt-Free Desalination”的論文發(fā)表在ACS nano。

2022年初，陳志鋼和張麗莎教授團(tuán)隊利用PEDOT:PSS兼作聚電解質(zhì)和光熱轉(zhuǎn)換材料，再以聚乙烯醇（PVA）為骨架，制備了一種陰離子型聚電解質(zhì)光熱水凝膠（APH）。在模擬太陽光（1.0 kW m-2）的照射下，APH的蒸發(fā)速率高達(dá)2.5 kg m-2 h-1，海水蒸發(fā)效率為90.7%。重要的是，APH中的陰離子基團(tuán)（例如SO3-）能排斥海水中的陰離子（例如Cl-），有效避免了在蒸發(fā)界面析鹽，便于長期高效地蒸發(fā)海水。該工作以“Polyelectrolyte-based photothermal hydrogel with low evaporation enthalpy for solar-driven salt-tolerant desalination”為題發(fā)表在國際知名期刊Chemical Engineering Journal。

過去的幾年中，該團(tuán)隊針對海水淡化中的海鹽積累與析出等問題，發(fā)展了柔性可清洗的光熱蒸發(fā)織物（ACS Appl.Mater.Interfaces,2019;Desalination,2019），不析鹽的光熱織物基懸掛型蒸發(fā)系統(tǒng)（Adv.Funct.Mater.2019）、向光型蒸發(fā)系統(tǒng)（(ACS Nano,2021）和垂直對稱的可翻轉(zhuǎn)蒸發(fā)系統(tǒng)（Desalination,2021），為太陽能海水淡化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用打下基礎(chǔ)。