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  水資源短缺是當代社會面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。利用太陽能蒸發(fā)進行海水淡化，可以在降低化石燃料消耗的同時，產(chǎn)生清潔可飲用的淡水，這對于緩解水資源與能源危機都具有重要的意義。近年來，太陽能界面蒸發(fā)系統(tǒng)受到了廣泛關(guān)注。盡管在太陽能轉(zhuǎn)化效率方面取得了進展，但在海水淡化應(yīng)用中裝置的便攜性以及蒸發(fā)過程的鹽堵塞問題，仍是阻礙界面太陽能蒸發(fā)器發(fā)展的巨大挑戰(zhàn)。

  基于此，南方科技大學(xué)材料系郭傳飛課題組從折紙中獲得靈感，選用形狀記憶復(fù)合材料（交聯(lián)聚環(huán)辛烯為基體，碳納米管為填料）設(shè)計了高性能、可折疊兼具監(jiān)測鹽堵塞功能的柔性太陽能蒸發(fā)系統(tǒng)。該界面蒸發(fā)系統(tǒng)具有優(yōu)異的形狀記憶效應(yīng)，可以折疊至原尺寸的1/9，并在使用時于陽光下按需自展開。此外，該界面蒸發(fā)系統(tǒng)通過監(jiān)測電容信號，實現(xiàn)了實時、原位監(jiān)測鹽結(jié)晶和鹽堵塞。由于其具有高的太陽能轉(zhuǎn)換效率、良好的便攜性和原位監(jiān)測鹽堵塞能力，這種新型的界面蒸發(fā)系統(tǒng)在海水淡化領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。該工作以“Shape-Programmable Interfacial Solar Evaporator with Salt-Precipitation Monitoring Function”為題發(fā)表在《ACS Nano》雜志上。

圖1. 形狀記憶太陽能蒸發(fā)器的原理、制備和基本性能

  本工作中的形狀記憶吸收體泡沫利用鎳泡沫作為犧牲模板制備，鎳泡沫的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)確保了吸收體泡沫的高互聯(lián)性，保證了太陽能蒸發(fā)過程中水的運輸（如圖1所示）。形狀固定率（R_f）和形狀回復(fù)率（R_r）是描述形狀記憶效應(yīng)最重要的關(guān)鍵參數(shù)，該形狀記憶泡沫保持了良好的形狀記憶效應(yīng)，R_f和R_r分別高達92%和93%。另外，該吸收體泡沫在300至2500nm光譜范圍內(nèi)吸收率高于97%，這得益于碳納米管的高本征吸收率和多孔結(jié)構(gòu)對光的多次反射。

  形狀記憶蒸發(fā)器可對熱刺激響應(yīng)。實驗中蒸發(fā)器被單層折疊，形成折紙。隨著溫度升高，該折紙可以實現(xiàn)自展開。如圖2所示，在30°C時折紙保持折疊形狀，在40°C時開始展開，最后在60°C時自動展平。該過程也可用有限元進行模擬，結(jié)果顯示折紙的展開過程伴隨著壓縮應(yīng)變的釋放，壓縮應(yīng)變在展開結(jié)束時幾乎為零。

圖2. 折紙在不同溫度下的形狀回復(fù)過程

  該形狀記憶蒸發(fā)器具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)化能力，對光刺激可快速響應(yīng)。如圖3所示，雙層折疊的蒸發(fā)器在光照下僅需10 s即可完全展開。展開的太陽能蒸發(fā)器在0.5、1、2和6個太陽的照射下蒸發(fā)純水的速率分別為0.55、1.26、2.5和8.1 kg m^-2 h^-1，太陽能轉(zhuǎn)化效率分別為59%、83%、88%和95%，表明隨著光照強度的增加，光的轉(zhuǎn)化率提高。另外，隨著鹽溶液濃度增加，蒸發(fā)速率會降低，該現(xiàn)象符合拉烏爾定律。

圖3. 折紙在光照下的形狀回復(fù)過程及其太陽能蒸發(fā)性能

  在海水淡化過程中，鹽顆粒沉積會堵塞蒸發(fā)器中的水輸送通道，導(dǎo)致太陽能蒸發(fā)性能下降。實際上，當蒸發(fā)器放置于海水上時，無法有效觀察吸收體內(nèi)部鹽顆粒的沉淀。因此，有必要開發(fā)一個系統(tǒng)來實時監(jiān)測鹽沉淀。由于鹽的沉淀與鹽濃度密切相關(guān)，通過監(jiān)測鹽的濃度可以預(yù)測鹽沉淀的發(fā)生。本工作通過監(jiān)測吸收體泡沫-溶液界面形成的雙電層的電容信號，可以精確測量界面的鹽濃度變化。這是因為雙電層的電容取決于界面面積和界面溶液的鹽濃度，其中界面面積固定不變，因此電容信號僅隨鹽濃度變化。本工作為實時原位監(jiān)測海水淡化中鹽顆粒的結(jié)晶和沉積提供了一種簡單有效的策略。

圖4. 實時原位鹽沉積的監(jiān)測

  南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系郭傳飛副教授為論文唯一通訊作者，博士后趙玲玉為論文第一作者，南方科技大學(xué)為第一單位和通訊單位。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、深圳市科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新委員會、廣東省珠江人才計劃創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊項目等項目的支持。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c01294