由于全球人口持续增长和气候变化，淡水资源严重短缺。现有的淡水资源显然不足，水安全现在是最重要的问题之一。海水淡化技术是获取淡水的有效解决方案，具有良好光热性能的蒸发器是必不可少的，但间歇性的阳光照射容易受到气候的影响，这将严重限制海水淡化的效率。因此，迫切需要开发多响应蒸发器，以保证任意切换非接触刺激全天候连续脱盐。
近日，青岛大学范婷婷副教授&龙云泽教授团队在期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了最新研究成果“Nanofiber aerogel with layered array with structure coupled photothermal/magnetothermal effect for continuous seawater desalination”。研究者通过喷纺工艺制备出具有独特仿生阵列结构的光/磁热纤维气凝胶用于全天高效水蒸发。该论文第一作者为青岛大学硕士研究生于子辰，青岛大学范婷婷副教授和龙云泽教授为共同通讯作者。
图1：Fe3O4/SnSe/PDA/PEI@SPA的制备和形貌结构。
太阳能蒸发容易受到间歇性太阳照射和表面盐结晶沉积的影响，严重限制了蒸发效率。本工作以香蕉叶的蒸腾作用、凹槽阵列结构和防污性能为灵感，采用吹纺技术制备了一种具有多层阵列结构的多功能光热/磁热耦合三维气凝胶蒸发器，并可实现量产。独特的超亲水性垂直阵列结构具有多尺度高效输水通道，SnSe-Fe3O4蒸发层实现超疏水自清洁和优异的光热、磁热转换性能，可实现全天候海水淡化。同事垂直阵列结构有利于光的反射和折射，促进海水对流与盐晶体的吸收耦合，大大提高蒸发器的光热转换效率和耐盐性。
从宏观上看，喷纺制备的聚丙烯腈/Al2O3海绵（SPA）具有超轻的特性(图1a)，其中一片0.04 mg cm-3的气凝胶可以支撑在花瓣上而不会产生任何变形。从微观上看，制备的SPA具有层状排列结构(图1b-c)，对比SPA、盐酸多巴胺/聚乙烯亚胺修饰的SPA（PDA/PEI@SPA）和Fe3O4/SnSe/PDA/PEI@SPA在低倍和高倍放大下的扫描电镜SEM图像(图1d-f)可以看出，SPA表面光滑，而PDA/PEI@SPA和Fe3O4/SnSe/PDA/PEI@SPA的粗糙度明显提高，具有很好的抗结块盐效果。
图2：Fe3O4/SnSe/PDA/PEI@SPA光热蒸发性能。
如图2g所示，成功制备的Fe3O4/SnSe/PDA/PEI@SPA纤维气凝胶可促进快速的水输送，并以强大的毛细管力向上泵送，以支持通过垂直排列的亲水性基质通道供水，表面蒸发层具有优异的光/磁热转换性能。同时，独特的分层阵列结构可以进行多次折射反射，以实现优异的光热/磁热转换性能，这有助于高效的全天候光热/磁热能海水淡化。在1个太阳下实现了2.53 kg m-2 h-1的蒸发率，这得益于快速的水传输、高效的光捕获和精确的润湿性设置，如图2e所示。该纤维气凝胶还显示出优异的耐久性和良好的可回收性。经过10个周期的循环光照后，水的蒸发速率基本保持稳定(图2h)。
图3：Fe3O4/SnSe/PDA/PEI@SPA磁热蒸发性能。
Fe3O4/SnSe/PDA/PEI@SPA纤维气凝胶磁响应非常快，温度在1分钟内迅速升高，可在2分钟内达到稳态205.5°C（图3f）。在6次循环后气凝胶表面温度保持稳定，依旧保持快速响应的能力，证明其具有稳固的磁热转换效率。此外，还测试了水蒸发的循环性能（图3h）。此外，蒸发器产生的废热可用于温差发电。在1个标准太阳光照时可以产生79.8 mV的电压，在f=154 kH，H=18.75 kA m-1的交流磁场下产生的电压可以点亮LED灯（图4g）。
图4：Fe3O4/SnSe/PDA/PEI@SPA水蒸发性能。
总之，通过简单的喷纺技术，使大规模生产的高性能纤维气凝胶蒸发器成为可能，成功开发了一种非接触式刺激响应蒸发器，该蒸发器具有分层阵列结构，用于连续高效的海水淡化，这为实际大规模太阳能海水淡化和水净化应用提供了新的机会。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155969
人物简介：
范婷婷，青岛大学纺织服装学院副教授，硕士生导师，山东省青年托举人才，主持国家自然基金、山东省自然基金、青岛市自然基金、中国博士后面上项目等6项。近五年以第一/通讯作者在Nano Energy、Small等学术期刊发表SCI论文30余篇，其中一区论文21篇，IF＞10论文19篇，ESI高被引论文1篇，JMCA正封面论文1篇，被引1800余次，H指数22，申请发明专利7项，已授权2项。获2022年中国化纤工业协会恒逸基金优秀论文奖，第十三届京津翼膜论坛优秀论文奖，入选2021年江苏省双创人才，“挑战杯”大学生科技作品竞赛优秀指导教师，青岛大学优秀研究生导师。担任Nano Letters, Chemical Engineering Journal等期刊杂志的审稿人，兼任《现代纺织技术》期刊学术编辑。
龙云泽，青岛大学物理学院教授、副院长，先进纳米纤维创新研究院院长，生物多糖纤维成形与生态纺织国家重点实验室PI，山东省中法纳米纤维和光电器件合作研究中心主任，山东省高等学校国际合作联合实验室（静电纺丝功能微纳米纤维）主任，全国模范教师，教育部新世纪优秀人才，山东省泰山学者，山东省有突出贡献的中青年专家，山东省杰青，国际先进材料学会会士。长期从事静电纺丝功能纳米纤维的制备以及在伤口敷料、能源催化材料、过滤分离、传感器等方面的应用。在Chem Soc Rev, Prog Polym Sci, Prog Mater Sci, Nature Mater, Nature Commun, Adv Mater, Angew Chem, Adv Funct Mater, ACS Nano, Nano Energy等发表论文450多篇（入选全球前2%顶尖科学家以及中国高被引学者榜单）；参编英文专著13本；授权国内专利130余项，国外专利6项，转让/许可专利15项。获山东省自然科学奖二等奖、北京市科学技术奖二等奖、国防科技创新大赛一等奖、中国发明创业奖创新奖一等奖、中国产学研合作创新成果奖二等奖；承担国家重点研发计划、国家自然科学基金等20余项。
