深圳大学王元丰连发《EcoMat》、《AFM》：仿生界面+共轭分子助力海水淡化新策略

在全球人口快速增长和经济持续发展的背景下，耕地和淡水资源的短缺已经成为我们生活中日益严重的问题。太阳能驱动的界面水蒸发技术，利用太阳能界面集热的方式实现海水淡化，是最有希望获得高质量淡水的方法之一。近年来，科研人员在光热材料设计合成、太阳能蒸发器结构调控方面展开研究，不断提高蒸发器的蒸发速率和太阳能-蒸汽转换效率。其中，基于有机分子的光热蒸发体系以其质轻、低廉及结构可调等特点受到关注，然而在面向实际应用中面临着捕光效率低、循环性能差、易氧化失效等问题。

近日，深圳大学王元丰等研究人员提出了利用仿生界面的独特结构和润湿性配合有机共轭分子，实现高效捕光和循环稳定的光热海水淡化策略，研究结果为低成本、制备简易、抗盐耐用的太阳能蒸发系统和海上农业提供了新的思路。

研究人员受荷叶和水生硅藻的启发，通过简单的有机合成方法得到光热共轭分子，将光热分子负载到了低成本的纤维素纸和木浆海绵上，分别构建了具有自漂浮Janus润湿结构和水面下悬浮机制的蒸发器。基于仿荷叶Janus结构的蒸发器，下表面润湿高速集水，而上表面疏水表现出抗盐功能；基于仿硅藻的3D孔结构蒸发器，提供高效的重复捕光性能，同时稳定地悬浮在水表层以下，蒸发器上表面保留一层水膜，在蒸发过程中能利用扩散作用快速除盐，并隔绝氧气延缓氧化，提供蒸发器的循环耐久性。在一个标准太阳光下，蒸发器的太阳能-蒸汽转换效率超过了88%，并且蒸发器的太阳能水蒸发效率最高达到1.62 kg m−2 h−1，这是目前基于纯有机分子蒸发器的最高效率之一。相关工作以“Broadband solar-driven water evaporator based on organic hybrid bandgap and bio-mimetic interfaces”和“Biomimetic seawater evaporator based on organic three-dimensional light capture and suspension-protection mechanism for in situ marine cultivation”为题发表于国际期刊EcoMat和Advanced Functional Materials上。文章第一作者为朱景帅博士，合作者还包括：中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室王钰研究员、王相博士，深圳大学材料学院陈仕国教授，北京大学深圳研究生院郑家新副教授等。

图1. 仿荷叶自漂浮PM6:Y6蒸发器的Janus润湿性能以及光热性能

图2. 水面下悬浮Y7蒸发器的抗盐、抗氧化机理和温度/流速分布模拟。

图3. 仿生界面+共轭分子所能达到的光热水蒸发效率和海水淡化性能。

研究人员利用该太阳能水净化系统收集脱盐或处理后的冷凝水，测试了太阳能脱盐性能。用ICP-OES检测了回收水的质量，发现冷凝水中Na+、K+、Ca2+和Mg2+的离子浓度显著降低了5-6个数量级，达到了世界卫生组织规定的淡水标准，表明了卓越的海水淡化能力。用两种不同的染料溶液模拟有机废水测试了该系统的污水处理能力，处理后，紫外-可见光谱显示染料浓度接近于零，染料溶液颜色分别由蓝色和橙色变为透明。这些结果证明了该太阳能净水系统在净化各种水样时的有效性和环境可持续性。在此基础上，作者开发了一种利用海水的self-circulation marine agriculture系统，有效地培育了多种植物，表明了在未来自循环海上农业中的潜在应用。

图4.仿生有机蒸发蒸发器在海上农业方面的应用潜力。

该研究得到国家自然科学基金，广东省自然科学基金和深圳市科创委的大力资助。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202306604

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/eom2.12323。

通讯作者简介：王元丰，深圳大学材料学院助理教授，特聘副研究员，从事基于润湿界面的智能系统、仿生功能纤维与智能织物的应用与基础研究，以一作/通讯在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Ecomat,Chem. Eng. J., Carbohydr. Polym., Adv. Fiber Mater. 等业内权威期刊发表SCI论文20余篇，主持国家自然科学基金等多项研究课题。任深圳市发改委科技咨询专家，入选深圳市海外高层次人才（B类）、深龙英才、广东省博士博士后100名创新人物，荣获2023年日内瓦国际发明金奖。个人主页：

https://cmse.szu.edu.cn/szdw1/jsml/gfzclygc/j_s2/wyf.htm

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转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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