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全球人口的急劇增長，使得用水量不斷增加，同時世界范圍內的水污染日益嚴重，許多可利用的淡水資源遭到破壞。日益嚴重的淡水短缺現象已構成全球性難題，嚴重阻礙了人類文明的發展。近年來，太陽能光熱海水淡化技術被公認為一種綠色清潔的水凈化方式，有望實現低成本、低污染的淡水資源供給。近期，東華大學的研究團隊以西瓜果肉為原料制備了一種三維碳氣凝膠，可以作為太陽能海水淡化的有效光熱材料。

據預測，到2025年，超過50%的國家將(jiang)面臨淡水危(wei)機；到2050年，世界上75%的人口將(jiang)面臨水資源短(duan)缺。太陽能驅動的海水蒸發僅需要太陽光(guang)和海水就能夠生(sheng)產淡水，是緩解水資源短(duan)缺的最理想(xiang)策略之一。

太陽(yang)能(neng)海水淡化技術(shu)的關(guan)鍵是開(kai)發高性能(neng)的光熱蒸(zheng)(zheng)發材料(liao)。然而(er)，長(chang)時(shi)間蒸(zheng)(zheng)發后，光熱材料(liao)的蒸(zheng)(zheng)發面往(wang)往(wang)會(hui)有大(da)量海鹽(yan)析(xi)出(chu)，形成(cheng)的鹽(yan)層會(hui)反射陽(yang)光和阻擋(dang)蒸(zheng)(zheng)汽逸出(chu)，導致蒸(zheng)(zheng)發速率降(jiang)低。為解(jie)(jie)決這一問題，目前已經(jing)開(kai)發了多種策略，包括物(wu)理去除、加速溶解(jie)(jie)、裝置設(she)計、靜電排斥等，但其實際(ji)應用(yong)仍受到材料(liao)成(cheng)本高和蒸(zheng)(zheng)發率低的阻礙(ai)。

陳(chen)志鋼教授(shou)（左），張麗莎(sha)教授(shou)（右）

為了解決以(yi)上(shang)問(wen)題，東華大學陳志鋼教授(shou)、張(zhang)麗莎教授(shou)等研(yan)究人員通過西(xi)瓜果肉(rou)的(de)水熱-碳化(hua)/冷凍干燥/碳化(hua)處理制備了具有分(fen)級孔(kong)隙的(de)三維碳氣凝膠（CA）。CA由(you)卷曲碳薄(bo)(bo)片（厚度約2μm）和大孔(kong)（尺(chi)寸200-400μm）組成，源(yuan)自植物(wu)細胞的(de)碳化(hua)。更加值得一提的(de)是(shi)，大量約200nm的(de)納(na)(na)米粒子位于這些薄(bo)(bo)片上(shang)，伴隨著尺(chi)寸為200-400 nm的(de)納(na)(na)米孔(kong)的(de)形成。這些分(fen)層的(de)宏觀/納(na)(na)米孔(kong)可以(yi)充當“光(guang)阱”，賦(fu)予250-2500nm范圍內的(de)廣(guang)泛光(guang)吸收，太(tai)陽能(neng)吸收效率(lv)達93%，光(guang)熱轉化(hua)率(lv)高(gao)。

圖源(yuan)：材(cai)料分(fen)析與應用

此(ci)外，1m^2的(de)(de)(de)CA蒸(zheng)(zheng)發器(qi)成本不超過16.43美元，低于(yu)或與其(qi)他(ta)蒸(zheng)(zheng)發器(qi)相當。此(ci)外，將CA插入環狀聚苯(ben)乙烯泡沫中，即可構建出一個(ge)可以(yi)(yi)漂浮在海水(shui)(shui)(shui)上的(de)(de)(de)三(san)維蒸(zheng)(zheng)發器(qi)。氣凝膠的(de)(de)(de)層(ceng)次(ci)結構和親水(shui)(shui)(shui)性促(cu)進了強(qiang)大的(de)(de)(de)多孔結構的(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)力，從而(er)有(you)效(xiao)地(di)輸(shu)送海水(shui)(shui)(shui)。CA的(de)(de)(de)低導熱率(lv)有(you)效(xiao)地(di)抑制了散裝水(shui)(shui)(shui)的(de)(de)(de)熱量損失。在模擬太(tai)陽光（1kWm-2）的(de)(de)(de)照射下，蒸(zheng)(zheng)發器(qi)的(de)(de)(de)蒸(zheng)(zheng)發率(lv)高(gao)達(da)2.32kgm-2h-1并長期穩定。因(yin)此(ci)，CA不僅能作(zuo)為太(tai)陽能海水(shui)(shui)(shui)淡化的(de)(de)(de)有(you)效(xiao)光熱材(cai)料，也為開發其(qi)他(ta)生物質衍(yan)生蒸(zheng)(zheng)發器(qi)提供(gong)了一些思路(lu)。近期，此(ci)項成果以(yi)(yi)名為“Watermelon flesh-derived carbon aerogel with hierarchical porous structure for interfacial solar steam generation”的(de)(de)(de)論文發表于(yu)RRL Solar期刊。

陳志鋼教授團(tuan)隊此(ci)前已在太(tai)陽能海(hai)水(shui)淡化(hua)蒸(zheng)發器領域取得了(le)一系列(lie)成果(guo)。2021年，團(tuan)隊報(bao)道(dao)了(le)一種受向(xiang)日(ri)葵啟發的(de)(de)，基于分層(ceng)聚丙烯腈 硫化(hua)銅（PAN CuS）織(zhi)(zhi)物(wu)的(de)(de)向(xiang)日(ri)蒸(zheng)發器。在該向(xiang)日(ri)蒸(zheng)發器中，海(hai)水(shui)可以在兩個光熱(re)織(zhi)(zhi)物(wu)表面(mian)蒸(zheng)發，從(cong)而(er)具有(you)更大的(de)(de)表面(mian)積和高蒸(zheng)發率。此(ci)外，傾斜的(de)(de)織(zhi)(zhi)物(wu)能夠有(you)效地(di)轉移和富集海(hai)水(shui)中的(de)(de)溶質，從(cong)而(er)避免(mian)織(zhi)(zhi)物(wu)上(shang)的(de)(de)固體鹽結晶(jing)。可變的(de)(de)織(zhi)(zhi)物(wu)傾斜角能夠在寬(kuan)入射角范(fan)圍（從(cong)-90°到+90°）內最大程度地(di)捕獲(huo)傾斜的(de)(de)太(tai)陽光，從(cong)而(er)防止蒸(zheng)發減少(shao)，減少(shao)比率顯著改進(jin)了(le)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(de)(de)論文發表在ACS nano。

2022年初，陳志(zhi)鋼和張(zhang)麗莎教(jiao)授團隊利(li)用PEDOT:PSS兼作聚電(dian)解質和光熱轉換材料，再以聚乙烯醇（PVA）為(wei)骨架，制備了一種陰離(li)子型聚電(dian)解質光熱水(shui)凝膠（APH）。在(zai)模擬太陽光（1.0 kW m-2）的(de)照射下，APH的(de)蒸(zheng)(zheng)發(fa)速率(lv)高(gao)達(da)2.5 kg m-2 h-1，海水(shui)蒸(zheng)(zheng)發(fa)效(xiao)(xiao)率(lv)為(wei)90.7%。重要(yao)的(de)是，APH中的(de)陰離(li)子基團（例(li)如SO3-）能排斥海水(shui)中的(de)陰離(li)子（例(li)如Cl-），有效(xiao)(xiao)避免(mian)了在(zai)蒸(zheng)(zheng)發(fa)界面析鹽，便于長期(qi)(qi)高(gao)效(xiao)(xiao)地蒸(zheng)(zheng)發(fa)海水(shui)。該工作以“Polyelectrolyte-based photothermal hydrogel with low evaporation enthalpy for solar-driven salt-tolerant desalination”為(wei)題發(fa)表在(zai)國際知(zhi)名期(qi)(qi)刊Chemical Engineering Journal。

過去的(de)(de)幾年(nian)中，該團隊針對海水(shui)淡化中的(de)(de)海鹽積(ji)累與析(xi)出(chu)等問題，發(fa)展(zhan)了(le)柔性可清洗的(de)(de)光(guang)熱蒸(zheng)發(fa)織物（ACS Appl.Mater.Interfaces,2019;Desalination,2019），不析(xi)鹽的(de)(de)光(guang)熱織物基(ji)懸掛型蒸(zheng)發(fa)系統(tong)(tong)（Adv.Funct.Mater.2019）、向光(guang)型蒸(zheng)發(fa)系統(tong)(tong)（(ACS Nano,2021）和垂直對稱的(de)(de)可翻轉(zhuan)蒸(zheng)發(fa)系統(tong)(tong)（Desalination,2021），為(wei)太陽能海水(shui)淡化技術(shu)的(de)(de)實(shi)際應用(yong)打(da)下基(ji)礎。