東華丁彬/武大鄧紅兵《ACS Nano》蘆葦葉啟發的二氧化硅納米纖維氣凝膠，用于耐鹽太陽能海水淡化
2021年6月24日 11:33瀏覽：2599
全球數十億人仍然無法獲得充足和清潔的淡水。從鹽水中進行太陽能淡化被認為是解決這一嚴重危機的最有希望的建議之一。然而，迄今為止，大多數報道的蒸發器仍然存在由于鹽結晶在其表面積累而導致蒸發率下降的問題。最近，
東華大學
丁彬研究員
、
武漢大學
鄧紅兵教授
科研團隊
受蘆葦葉的血管組織結構、蒸騰作用和防污功能的啟發，該團隊設計了具有平行排列的血管和疏水表面的仿生分層納米纖維氣凝膠，用于高效和耐鹽的太陽能海水淡化。
可折疊的血管壁和柔軟的二氧化硅納米纖維
使受蘆葦葉啟發的納米纖維
氣凝膠
(R-NFAs) 具有優異的機械性能，并使它們能夠承受反復壓縮
。此外，R-NFAs 可以有
效地吸收陽光（
光吸收效率：
94.8%
）并將鹽水蒸發成蒸汽，類似于蘆葦葉（
蒸發率：1
個
太陽下 1.25 kg m
–2
h
–1
）。更重要的是，通過疏水表面和平行排列的容器，R-NFAs 可以在高強度光（高達6
個
太陽光）下在高濃度鹽水
（飽和，26.3 wt%）
中穩定工作，表現出強大的耐鹽性。
預計具有組合抗鹽孔和表面結構的 R-NFA 將為抗鹽太陽能海水淡化提供設計概念。
相關論文以題為
Reed Leaves Inspired Silica Nanofibrous Aerogels with Parallel-Arranged Vessels for Salt-Resistant Solar Desalination
發表在《
ACS
Nano
》上。
圖
1.
(a) 傳統太陽能蒸發器的光吸收、水傳輸、蒸汽產生和鹽結晶。(b) 蘆葦葉的微觀結構和疏水性。(c) 蘆葦葉的光吸收、水傳輸、蒸汽產生和耐鹽性啟發了納米纖維氣凝膠（R-NFA）。
圖
2.
(a) R-NFAs 制造過程示意圖。(b-d) 具有不同放大倍數的 R-NFA 的分級多孔微結構。(e) R-NFA 的壓縮和回彈。(f) R-NFA 的光吸收和疏水性。(g) R-NFAs 產生的蒸汽在自制冷凝水收集示范系統的冷凝水殼上冷凝。
圖
3.
(a) SNA 隨應變增加的應力-應變曲線。(b) 500 次循環壓縮試驗，應變為 60%。(c) 500 次循環壓縮試驗中最大應力、能量損失系數和楊氏模量的變化。(d) R-NFA 的粘彈性。
圖
4.
(a) R-NFA 和 W-NFA 的 UV-vis-NIR 吸收光譜。(b, c) R-NFA 和 W-NFA 在空氣中 1s 太陽光下的光熱轉換性能。(d, e) 1sun 下蒸發器從 0 到 30 分鐘的溫度分布和變化。(f, g) 不同光強下30 min后蒸發器的溫度分布及變化。
圖
5.
(a) R-NFAs 和純水在 1 個太陽下隨時間推移的累積質量損失。(b) R-NFAs 和純水的蒸發率在 1 個太陽下隨時間變化。(c) R-NFA 在 1 個陽光下的可重用性。(d) R-NFAs 上表面和底層的水接觸角。(e) R-NFAs 在不同濃度鹽水中的蒸發速率。(f) R-NFA 和 B-NFA 在 6 太陽下在飽和鹽水中隨時間的蒸發速率。(g, h) 數碼照片顯示了 R-NFA 的強抗鹽性和 B-NFA 的鹽積累。(i) R-NFAs 和報告的蒸發器的耐鹽性比較。Copt 表示氙燈的光集中系數。
受蘆葦葉結構和功能的啟發，團隊構建了一種二氧化硅納米纖維氣凝膠蒸發器，該蒸發器模仿平行排列的維管組織和蘆葦葉的疏水表面，以在高濃度鹽水中的高強度光下實現耐鹽性。受益于這種仿生結構的優勢，
R-NFAs 可以在高濃度鹽水中工作而不會出現任何衰退，即使是在6
個
太陽下的飽和鹽水（26.3%）。此外，由于 94.8% 的高效光吸收特性，R-NFAs 在 1 個太陽下實現了 1.25 kg m
-2
h
-1
和 6.77 kg m
-2
h
-1
在 6 個太陽下的蒸發率。憑借可折疊的血管壁和柔性二氧化硅納米纖維，R-NFA 表現出強大的機械性能。在 500 次壓縮循環后，它們可以保持完整，只有大約 20% 的輕微塑性變形。
團隊
期待這種模擬蘆葦葉的分層蜂窩結構設計
能夠為海水淡化、廢水處理和太陽能收集等領域帶來巨大的啟發。
doi.org/10.1021/acsnano.1c04035
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