

南京大学唐少春教授团队从植物莲获启发设计制备出新型仿生三维高性能太阳能蒸发器

邃瞳科学云

2022-02-13

导读：受植物莲启发，本文设计并开发出一种新型的仿生3D太阳能蒸发器，其具有Janus润湿性和仿生物多孔结构。该蒸发器的光-蒸汽能量转换效率高达153.20%。

喜欢就点击蓝字关注我们吧，订阅更多最新消息

全文速览

借鉴自然界中的生物体，是创新科学研究的源泉，是创造新材料和新器件的重要途径。近日，南京大学唐少春教授团队从天然植物莲的光合作用过程获得启发，设计并研发出一种新型具有Janus润湿性和仿生三维结构的高性能太阳能蒸发器（3D-LBE）。该仿生蒸发器结构见图1所示，主要包括太阳光强吸收“荷叶”、亲水的“莲茎”以及具有呼吸作用的多孔“根”构成。3D-LBE中光热部分类似于具有Janus润湿性的大面积荷叶，表现出91.37%的太阳能高吸收率。在1 kW m^‑2太阳光照射下，3D-LBE蒸发器可实现3.23 kg m^‑2 h^‑1的水蒸发速率，光-蒸汽能量转换效率高达153.20%；而且，3D-LBE拥有超强去污能力，保证了界面蒸发的长效稳定性。该成果以“Lotus-Inspired 3D Biomimetic Design toward Advanced Solar Steam Evaporator with Ultrahigh Efficiency and Remarkable Stability”为题发表在国际知名期刊Materials Horizons上（2022, DOI: 10.1039/D1MH02020J）。

图文解析

图1. 受植物莲启发设计的新型太阳能蒸发器的三维仿生结构示意图。

图2. 多孔碳纤维和金属氧化物纳米颗粒构成三维网状光热转化层的微观结构。

图3. 太阳光吸收层在250~2500 nm波段的光吸收谱；不同太阳能蒸发器在太阳光持续照射下剩余水的质量变化曲线。

图4. 不同太阳能蒸发器在1 kW m^‑2太阳光照射下的红外热成像图及其表面温度随时间的变化曲线。

为了评价3D-LBE蒸发器对脱盐和有机污染废水的净化能力，团队采用ICPOES仪器（最佳5300DV，精度0.1mgL^-1）进行了测试。结果表明，针对不同盐度的海水，测试钠离子浓度都表现出显著下降，降低幅度达到四个数量级。3D-LBE器件的表面在整个蒸发过程中都保持清洁，表明其很强的防污能力。这主要是由于，三维互连的多孔结构阻止了盐晶体的聚集堵塞，同时掺杂化学赋予多孔碳更丰富的活性位，使电子活化协同效应更有效地吸附和降解有机物。

为了更加直观地观察海水淡化过程中蒸汽的产生，团队采用聚光镜对蒸发面产生的蒸汽进行了拍摄。可以清晰看到，固液界面处有大量水蒸气持续生成（见图5c）。

图5. 3D-LBE蒸发器对盐水和模拟海水的净化效果及其盐水处理前后的表面图。

图6. 3D-LBE蒸发器对含重金属离子、染料污水的净化效果及循环稳定性测试。

针对含多种基础离子（Na⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺）的海水，团队研究了3D-LBE蒸发器对其淡化处理能力。由图6a可知，处理后这几种离子的浓度均显著降低。考虑到一些废水溶液中还存在重金属离子，团队利用3D-LBE蒸发器对浓度为10⁴ mg.L^-1的重金属离子（Cu²⁺、Pb²⁺和Cd²⁺）溶液处理，并对收集蒸发出来的水进行测试。结果表明，有害离子（Cu²⁺、Pb²⁺和Cd²⁺）的浓度分别为0.03、0.01和0.02 mg L^-1，远低于国家标准规定的排放浓度。针对有机染料刚果红（CR；496nm）和健那绿B （JGB；604nm）水溶液，经3D-LBE淡化处理后收集的蒸馏水，其特征吸收峰强度均接近零。特别是，经过40次循环后，3D-LBE装置的蒸发速率几乎没有衰减，进一步表明3D-LBE具有良好的稳定性。

团队在南京大学工程与应用科学学院大楼外（32°7'16"N，118°57'19"E）进行了户外自然阳光驱动的海水淡化应用试验。3D-LBE器件漂浮在容器中的海水表面，辐照强度和温度随时间变化，最大值分别为35.40 mW/cm²和9℃。针对3.5%的氯化钠溶液界面蒸发，12 h后收集的冷凝蒸发水累计达2.83 kg.m²。

总结与展望

受植物莲启发，唐少春团队设计并开发出一种新型的仿生3D太阳能蒸发器，其具有Janus润湿性和仿生物多孔结构。该蒸发器的光-蒸汽能量转换效率高达153.20%，主要由强光吸收层“荷叶”（吸收率91.37%）、快速输水的“茎”和平行大孔高效呼吸的“根”共同实现。该效率超过了大多数碳基和其他仿生结构构建的界面蒸发器，甚至高盐度的废水或有机污水也能实现长效稳定工作。

水资源短缺是全球未来面临的主要挑战之一，随着城市化和气候变化的影响，水资源短缺变得日益紧迫。阳光是最丰富的可再生清洁能源，利用太阳光驱动的界面蒸发技术可用于海水淡化、盐水分离和污水/废水净化等领域，因此有望成为解决缺水问题最有效的绿色方案之一。该技术不仅在净化污水、淡化海水方面潜力巨大，而且可以发展成为为一种零能耗、无污染的分离提纯技术。这项工作为基于太阳能高效利用的新材料及器件开发提供了一种新的思路和有效途径。

南京大学现代工程与应用科学学院副研究员张荣和博士后相波为该论文的共同第一作者，通讯作者是南京大学唐少春教授。该研究受到国家自然科学基金、江苏省重点研发计划、中国博士后基金、江苏省博士后基金等项目的资助。

文献来源

R. Zhang, B. Xiang, Y. Wang, S. Tang, X. Meng, Lotus-Inspired 3D Biomimetic Design toward Advanced Solar Steam Evaporator with Ultrahigh Efficiency and Remarkable Stability. Materials Horizons, 2022, DOI: 10.1039/D1MH02020J

声明

本文仅供科研分享，不做盈利使用，如有侵权，请联系后台小编删除

欢迎关注我们，订阅更多最新消息