西安工程大学《Small》：受莲蓬启发，SA/石墨烯结合开发新型界面太阳能蒸汽发生器，可实现高效稳定的海水淡化

成果简介

界面太阳能蒸汽发生器（ISSG）可以捕获太阳能并将热量集中在气液界面上，从而实现高效的水蒸发。然而，传统的界面太阳能蒸汽发生器在长期海水淡化过程中存在局限性，例如光吸收面积有限、水传输速度缓慢、表面盐分积累严重以及机械性能较弱。本文，西安工程大学支超教授团队在《Small》期刊发表名为“A Lotus Seedpods-Inspired Interfacial Solar Steam Generator with Outstanding Salt Tolerance and Mechanical Properties for Efficient and Stable Seawater Desalination”的论文，研究受莲蓬的启发，通过等离子体（PSF）处理3D经编间隔织物，并将其与海藻酸钠（SA）和还原氧化石墨烯（rGO）相结合而开发了一种新型 ISSG（rGO-SA-PSF）。

rGO-SA-PSF 利用芯吸效应实现快速抽水，并采用气凝胶将等离子体处理过的间隔纱包裹起来，形成受莲子茎启发的亲水茎，创新性地构建了多个定向输水通道。同时，上层的 rGO-SA-PSF 大孔形成了受莲蓬启发的头部凹孔，实现了高效的光捕捉。在 1kW m-2 光照条件下，rGO-SA-PSF 的快速蒸发率为 1.85 kg m-2 h-1，效率高达 96.4%。此外，在长期的海水淡化过程中，它还表现出卓越的耐盐性（在 10% 的盐水中连续蒸发 10 小时也没有盐分积累）和自脱盐性能。这种仿生物 ISSG 为高效、稳定的海水淡化和废水净化提供了一种前景广阔的解决方案。

图文导读

图1、具有莲蓬启发结构的新型多通道ISSG（rGO-SA-PSF）的仿生制备

图2、a) 等离子处理前后间隔纱的扫描电镜图像（左）以及间隔纱被气凝胶包裹后的图像（右）。b) 等离子处理前后间隔纱的 WCG（左）以及间隔纱被气凝胶包裹后的角度（右）。e) SA、GO、GO-SA-PSF 和 rGO-SA-PSF 的傅立叶变换红外光谱。GO、GO-SA-PSF 和 rGO-SA-PSF 的拉曼光谱（f）、XPS 光谱（g）和 XRD 光谱（h）。

图3、a) 不同样品在紫外-可见光-近红外区域（300-2500 nm）的吸收光谱。b) 在 100 °C 热板上加热 rGO-SA、rGO-SA-SF 和 rGO-SA-PSF 的红外热成像。e) COMSOL 模拟 rGO-SA 和 rGO-SA-PSF 的表面温度（俯视图），显示由于 rGO-SA-PSF 表面独特的凹孔结构而产生的明显热定位效应。f) 不同样品在不同时间点的含水量。g) 通过在不同样品表面放置白色纸巾来展示 rGO-SA-PSF 的水迁移性。

图4、a） 在1 kW m−2的光照下，不同样品的水质量随时间的变化。b） rGO SA、rGO SA SF和rGO SA PSF的蒸发性能比较。c） rGO SA PSF在不同光学浓度下随太阳照射时间的水质量变化。d） rGO SA PSF在不同光浓度下的蒸发性能。e） rGO SA PSF的蒸发性能与先前报道的基于rGO的ISSG的蒸发性能的比较。f） rGO SA、rGO SA SF和rGO SA PSF在模拟海水溶液（3.5wt%NaCl溶液）中的蒸发性能。g） 海水淡化前后人工海水中四种主要离子的浓度（虚线分别代表世界卫生组织和环保局制定的安全盐度标准）。h） 测量人造海水、收集的蒸汽水和生活用水的电阻值。i) 比较 rGO-SA-PSF 和 rGO-SA 的光吸收性能、水传输性能、机械性能、蒸发率和蒸发效率。

图5、a) rGO-SA-PSF 在模拟死海水溶液中连续脱盐 10 小时的蒸发性能。b) rGO-SA-PSF 在模拟平均盐度水溶液（3.5 wt% NaCl 溶液）中自脱盐 10 个周期的质量变化（左轴）和效率（右轴）。c) rGO-SA-PSF 的耐盐机理。d) 太阳能驱动海水淡化装置的示意图（左）和光学照片（右）。e) 户外测试期间的环境温度和湿度。f) 户外测试期间的光照强度和蒸发率。g) 不同天气条件下（7 天）rGO-SA-PSF 的总集水量。

图6、a) 太阳能驱动废水净化前后的重金属离子浓度。b) 太阳能驱动废水净化后的重金属离子去除率。c) 模拟工业废水、蒸汽水和生活用水的电阻值。d）MO、e）MB 和 f）RB 溶液（10 mg L-1）在太阳能驱动废水净化前后的吸收光谱（（d）、（e）和（f）中的插图是 MO、MB 和 RB 在净化前后的光学照片）。g）HNO3 和 NaOH 溶液在净化前后的 pH 值比较，表明 rGO-SA-PSF 具有中和酸碱废水的能力。

小结

受莲蓬天然结构的启发，本研究提出了一种具有莲蓬仿生结构的新型 ISSG（rGO-SA-PSF），它由 SA、rGO和PSF复合制成。rGO-SA-PSF通过PSF底层小孔产生的类似莲藕的抽芯效应实现了快速抽水，并通过气凝胶封装的间隔纱经等离子体处理后构建的多方向输水通道实现了高效输水。此外，PSF 上层独特的大孔隙所形成的类似莲蓬头的凹孔可实现有效采光。独特的仿生物结构设计赋予了 rGO-SA-PSF 高效的光吸收能力（吸收率≈95.6%）、快速的水传输能力（在短短 4 秒内达到 36.5 g g-1 的饱和吸水率）和卓越的机械性能（50% 应变时应力高达 36.4 kPa）。因此，在 1 kW m-2 的照明条件下，rGO-SA-PSF 的蒸发率达到了惊人的 1.85 kg m-2 h-1，效率高达 96.4%。

此外，丰富的定向输水通道在垂直方向上产生的盐浓度和温度梯度可以诱发马兰戈尼效应，促进盐的溶解和水的蒸发。在这种情况下，rGO-SA-PSF 能够在 10% 的盐水中连续蒸发 10 小时，其表面没有盐分积累，这表明 rGO-SA-PSF 具有出色的耐盐性和自脱盐性能。此外，rGO-SA-PSF 在处理含有重金属离子或化学染料的废水时也表现出了显著的净化效率。总之，这些经验性发现为设计和制造高性能 ISSG 提供了宝贵的支持。

文献：https://doi.org/10.1002/smll.202304877