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武大:受芦苇叶启发设计纳米纤维气凝胶实现耐盐的太阳能海水淡化
武汉大学 / 时间:2021-07-08 22:35:16

新材料科讯7月5日讯:近日,ACS Nano(《美国化学会·纳米》)在线发表了武汉大学资源与环境科学学院邓红兵教授课题组的研究成果,该研究受芦苇叶启发,仿生生物质纤维聚集体实现了高耐盐性太阳能海水淡化。论文题目为“Reed Leaves Inspired SilicaNanofibrousAerogels with Parallel-Arranged Vessels for Salt-Resistant Solar Desalination”(《芦苇叶启发的平行孔道结构二氧化硅纳米纤维气凝胶用于耐盐的太阳能海水淡化》)。武汉大学资源与环境科学院博士生董向阳为第一编辑,邓红兵和东华大学丁彬教授为论文通讯编辑。

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目前人类广泛受到淡水资源匮乏的困扰。虽然太阳能驱动的海水淡化技术得到了较为快速的发展,但是关于海水淡化的报道往往过多关注提升海水淡化的速率,而忽视了海水淡化过程中盐分在蒸发界面浓缩、结晶的情况。蒸发界面累积的盐分严重破坏了其高太阳能吸取特性,这对于持续、高效的太阳能脱盐是一个巨大的挑战。邓红兵等在课题组前期工作基础上,受芦苇叶生理功能启发,进一步设计了具有平行排列管道结构和疏水表面的纳米纤维气凝胶(R-NFAs),以实现耐盐的太阳能海水淡化。

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(a)传统太阳能蒸发器的光吸取、水传输、蒸汽产生和盐结晶,(b)芦苇叶的微观结构和疏水性,(c)芦苇叶启发的纳米纤维气凝胶(R-NFAs)蒸发器的光吸取、水传输、蒸汽产生和耐盐性,(d) R-NFA和B-NFAs在盐水中的蒸发速率,(e,f) R-NFA的耐盐性和B-NFA的盐积累

在太阳能海水淡化实验中,尽管非仿生结构的B-NFAs的蒸发速率在最初几分钟急剧上升并且明显高于仿生结构的R-NFAs的蒸发速率,但10分钟后其蒸发速率开始下降,15分钟后,其蒸发速率就已经低于R-NFAs。B-NFAs的表面完全被盐晶体覆盖,显著降低了它们的光吸取性能,使其难以保持长期有效蒸发。对于R-NFAs,虽然在蒸发器的侧面出现了盐晶体,但顶部表面和底部亲水层仍保持原始状态,因此蒸发器仍始终维持高效的蒸发速率。

该研究得到国家自然科学基金、湖北省重点研发项目、湖北省杰出青年基金等项目资助。

论文链接:https://doi.org/10.1021/acsnano.1c04035


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