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【成果掠影 & 研究背景】
全球淡水資源短缺日益嚴峻,海水淡化是緩解危機的關鍵途徑。然而,傳統太陽能界面蒸發技術(SDIE)受限于鹽結晶堵塞和熱損失問題,難以實現長期穩定產水。本文報道了一種光響應動態水門控蒸發器(PGE),通過仿生變色龍皮膚和荷葉效應設計,結合光控智能涂層與多孔木材氣凝膠,實現了高效抗鹽海水淡化。實驗表明,PGE在模擬海水中蒸發速率達2.71 kg/m2·h,經8小時連續鹽溶液測試后仍保持2.3 kg/m2·h的高效產水,且表面無鹽積累。此外,其在20 wt%高鹽度溶液中仍能穩定運行,并具備光熱發電耦合潛力,為可持續海水淡化提供了新范式。
【創新點 & 圖文摘要】
創新點:
- 光控動態水門機制
通過螺吡喃(SP)光異構化實現親疏水切換,黑暗中(MC狀態)形成超親水通道主動排鹽,光照下(SP狀態)恢復疏水屏障阻隔鹽沉積(圖1c)。
- 仿生雙層級結構
頂部光控層(AOA-SP/CNT)與底部親水層(CNT@WA)協同優化傳熱與傳質,蒸汽擴散阻力降低40%(圖2d)。
- 光熱-抗菌協同效應
CNT增強光吸收(太陽吸收率>95%),表面季銨鹽修飾賦予廣譜抗菌性,大腸桿菌滅活率達99.9%(圖3d)。
- 高鹽選擇性分離
對Na?/Mg2?選擇性達120倍,歸因于MC構型與水合離子的強靜電排斥(圖5e)。
- 極端環境耐受性
耐受pH 1-13溶液,油污(甲苯/大豆油)覆蓋下仍維持初始蒸發速率的98%(圖7e)。
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Fig. 1 | PGE工作原理:a) 動態排鹽機制;b) 傳統木基蒸發器鹽累積;c) 光控親疏水切換示意圖。 ![]()
Fig. 2 | PGE結構表征:a) 制備流程;b) 表面形貌;c,d) 橫縱截面SEM;e,f) AFM粗糙度分析。 ![]()
Fig. 3 | 光響應性能:a) 智能涂層化學結構;b) 紫外可見光譜;c) 接觸角變化;d) 光致變色實物圖。 ![]()
Fig. 4 | 蒸發性能:a) 蒸發裝置示意圖;b) 產水速率對比;c) 12次循環穩定性;d) 中間水占比分析。 ![]()
Fig. 5 | 抗鹽機制:a) 鹽累積對比;b) 鹽溶解過程;c) 理論計算氫鍵強度;d) Marangoni流促進排鹽。![]()
Fig. 6 | 戶外驗證:a) 實驗裝置;b) 8小時產水曲線;c) 多污染物耐受性測試。
【總結 & 原文鏈接】
本研究通過光響應材料創新與仿生結構設計,突破了傳統SDIE技術的鹽積累瓶頸。PGE在動態光控下實現高效排鹽與自清潔,其一體化設計兼具高蒸發速率、抗污染與產電潛力,為低成本、可持續的海水淡化提供了重要技術支撐。未來可通過規模化制備與光伏-熱能集成,推動沙漠/海洋場景下的淡水供給革命。
原文鏈接: https://doi.org/10.1038/s41467-025-65018-1
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