Nano Energy∣福建农林大学袁占辉教授团队最新研究成果

近日福建农林大学袁占辉团队在国际TOP期刊Nano Energy在线发表Bio-inspired Micro-architecturing of 3D Aerogel Evaporator for Highly Efficient Solar Seawater Desalination的研究性论文。

文章简介

太阳能驱动的界面蒸发是一种极具潜力的水净化技术，然而在实际应用中，如何实现热管理、水传输以及耐盐性能的协同优化一直是亟待解决的难题。本研究受海草薄壁细胞与维管束的排列结构启发，将海藻酸钠（SA）和还原氧化石墨烯（rGO）形成的气凝胶（SrGA）以阵列方式垂直排列，构建了一种三维界面蒸发器（SrGAE）。其核心创新点如下：（1）SrGAE垂直排列的仿生宏观结构，与传统蒸发器相比，成功地缩短了输水距离并显著扩大了盐排放通道。这一结构优势通过理论计算得到了充分验证。（2）SrGA中丰富的含氧官能团(-OH、-COOH) 有助于活化水分子，提高中间水 （IW） 比率，降低蒸发焓（1031 J g^-1），仅为理论值的43%。（3）通过SrGAE的低热导率与蒸发冷却效应的协同作用，实现了热局域化和对环境能量的有效捕获，从而大幅提高了太阳能利用率。实验结果表明，SrGAE在20 wt.%高浓度盐水中连续运行8小时，蒸发界面无盐分积累，且最高蒸发速率达到3.7 kg m^-2 h^-1，光热转换效率高达106%。此外，SrGAE在染料去除和实际海水淡化中也表现出优异的性能，展现了其在水处理领域的广泛应用前景。

主要图表

图1. SrGAE示意图

图2.（a）SrGAE的制备过程示意图；SA/rGO 气凝胶的 SEM 图像（b）表面、（c）侧面、（d）横截面和（e）放大形态；（f）SA/rGO 气凝胶、SA 和 rGO 的 FT-IR 光谱；（g）SA/rGO 气凝胶的水接触角测量。

图3.（a）通过在表面放置pH试纸展示BAE和SrGAE-1的水分传输性能；(b) BAE与SrGAE的水分传输速度示意图；(c) BAE和SrGAE的压力分布模拟结果；(d) BAE和SrGAE的水流速率分布数值模拟结果。

图4.（a）BAE和SrGAE-1在1倍太阳光照条件下的蒸发速率；(b) BAE与SrGAE-1样品在20 wt.% NaCl溶液中表面拒盐图片；(c) 纯水以及BAE和SrGAE-1在20wt.% Nacl溶液中60min内的质量变化；(d) BAE与SrGAE-1在3.5 wt.%盐水的盐溶解测试图；（e）BAE和SrGAE-1的盐度分布数值模拟结果；（f）纯水以及SrGAE-x（x=1，2，4）在20wt.%溶液中60min内的质量变化；（g）SrGAE-x（x=1，2，4）在1倍太阳光照条件下的蒸发速率。

图5. (a) SA/rGO气凝胶的紫外-可见-近红外吸收光谱；(b) SrGAE-1（0.5 cm）在1个太阳光照下10分钟内的表面温度变化红外图像；(c) SrGAE-1（0.5 cm）与环境之间的能量交换示意图；(d) 在1个太阳光照下，置于水面的SrGAE-1（0.5 cm）的水、顶部和侧面的温度变化；(e) SrGAE-1（0.5 cm）的温度分布数值模拟结果。

图6. (a) SrGAE-1（0.5cm）在20 wt.% NaCl溶液中的蒸发速率和蒸发效率；(b) SrGAE-1中水的拉曼光谱；（c）纯水和SrGAE-1中水的DSC曲线；(d) 纯水和SrGAE-1中水在黑暗条件下的质量变化和蒸发焓；(e) SrGAE-1（0.5cm）与其他气凝胶蒸发器的蒸发效率和蒸发速率比较；（f）SrGAE-1（0.5 cm）在不同盐浓度下的蒸发速率；（g）SrGAE-1（0.5 cm）在10 wt.% NaCl溶液中进行十天循环测试的蒸发速率变化；SA，rGO和SrGA（h）TG曲线和（i）DTG曲线。

图7. （a）MO溶液和（b）RhB溶液蒸发前后的紫外-可见吸收谱图。（c）户外实验中海水质量变化，光照强度以及室外温度随时间的变化（2023年11月3日）；(d) 蒸发装置侧视和俯视图；（e）海水淡化前后K⁺，Na⁺，Mg²⁺和Ca²⁺浓度变化；（f）SrGAE-1在不同水源中的蒸发速率。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.110781

团队网站：http://acfm.fafu.edu.cn