光热海水淡化新进展！东华大学研究团队以西瓜果肉为原料制备出一种三维碳气凝胶

近期，东华大学的研究团队以西瓜果肉为原料制备了一种三维碳气凝胶，可以作为太阳能海水淡化的有效光热材料。

据预测，到2025年，超过50%的国家将面临淡水危机；到2050年，世界上75%的人口将面临水资源短缺。 太阳能驱动的海水蒸发仅需要太阳光和海水就能够生产淡水，是缓解水资源短缺的最理想策略之一。

太阳能海水淡化技术的关键是开发高性能的光热蒸发材料。然而，长时间蒸发后，光热材料的蒸发面往往会有大量海盐析出，形成的盐层会反射阳光和阻挡蒸汽逸出，导致蒸发速率降低。

为解决这一问题，目前已经开发了多种策略，包括物理去除、加速溶解、装置设计、静电排斥等，但其实际应用仍受到材料成本高和蒸发率低的阻碍。

陈志钢教授（左），张丽莎教授（右）

为了解决以上问题，东华大学陈志钢教授、张丽莎教授等研究人员通过西瓜果肉的水热-碳化/冷冻干燥/碳化处理制备了具有分级孔隙的三维碳气凝胶（CA）。CA由卷曲碳薄片（厚度约2μm）和大孔（尺寸200-400μm）组成，源自植物细胞的碳化。更加值得一提的是，大量约200nm的纳米粒子位于这些薄片上，伴随着尺寸为200-400 nm的纳米孔的形成。这些分层的宏观/纳米孔可以充当“光阱”，赋予250-2500nm范围内的广泛光吸收， 太阳能吸收效率达93%，光热转化率高。

图源：材料分析与应用

此外，1m^2的CA蒸发器成本不超过16.43美元，低于或与其他蒸发器相当。此外，将CA插入环状聚苯乙烯泡沫中，即可构建出一个可以漂浮在海水上的三维蒸发器。气凝胶的层次结构和亲水性促进了强大的多孔结构的作用力，从而有效地输送海水。

CA的低导热率有效地抑制了散装水的热量损失。在模拟太阳光（1kWm-2）的照射下，蒸发器的蒸发率高达2.32kgm-2h-1并长期稳定。

因此， CA不仅能作为太阳能海水淡化的有效光热材料，也为开发其他生物质衍生蒸发器提供了一些思路。

近期，此项成果以名为“Watermelon flesh-derived carbon aerogel with hierarchical porous structure for interfacial solar steam generation”的论文发表于RRL Solar期刊。

陈志钢教授团队此前已在太阳能海水淡化蒸发器领域取得了一系列成果。2021年，团队报道了一种受向日葵启发的，基于分层聚丙烯腈 硫化铜（PAN CuS）织物的向日蒸发器。

在该向日蒸发器中，海水可以在两个光热织物表面蒸发，从而具有更大的表面积和高蒸发率。此外，倾斜的织物能够有效地转移和富集海水中的溶质，从而避免织物上的固体盐结晶。可变的织物倾斜角能够在宽入射角范围（从-90°到+90°）内最大程度地捕获倾斜的太阳光，从而防止蒸发减少，减少比率显著改进了83.9%。该研究以题为“Hierarchical Photothermal Fabrics with Low Evaporation Enthalpy as Heliotropic Evaporators for Efficient,Continuous,Salt-Free Desalination”的论文发表在ACS nano。

2022年初，陈志钢和张丽莎教授团队利用PEDOT:PSS兼作聚电解质和光热转换材料，再以聚乙烯醇（PVA）为骨架，制备了一种阴离子型聚电解质光热水凝胶（APH）。

在模拟太阳光（1.0 kW m-2）的照射下，APH的蒸发速率高达2.5 kg m-2 h-1，海水蒸发效率为90.7%。重要的是，APH中的阴离子基团（例如SO3-）能排斥海水中的阴离子（例如Cl-），有效避免了在蒸发界面析盐，便于长期高效地蒸发海水。

该工作以“Polyelectrolyte-based photothermal hydrogel with low evaporation enthalpy for solar-driven salt-tolerant desalination”为题发表在国际知名期刊Chemical Engineering Journal。