芦苇叶启发的二氧化硅纳米纤维气凝胶，用于耐
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全世界仍有数十亿人没有充足和干净的淡水。从海水中淡化太阳能被认为是解决这一严重危机的最有希望的建议之一。然而，迄今为止报道的大多数蒸发器仍存在由于盐晶体在表面积累而导致蒸发速率降低的问题。近日，东华大学丁斌研究员，武汉大学邓红兵教授科研团队受芦苇叶的血管组织结构、蒸腾作用和防污功能启发，团队设计了平行排列的血管仿生具有疏水表面的层状纳米纤维气凝胶用于高效耐盐太阳能海水淡化。
可折叠的血管壁和柔软的二氧化硅纳米纤维受芦苇叶启发的纳米纤维< /span>气凝胶 (R-NFA) 具有出色的机械性能，使其能够承受反复压缩。此外，R-NFAs 可以有效吸收阳光（光吸收效率：94.8%）和将盐水蒸发成蒸汽，类似于芦苇叶（蒸发率：1.25 kg m–2 h–1 under one sun < /strong>)。更重要的是，通过疏水表面和容器的平行排列，R-NFAs可以在高强度光（最多6道阳光）下的高浓度盐水中使用(saturated, 26.3 wt%)在介质中工作稳定，耐盐性强。
预计结合抗盐孔隙和表面结构的R-NFA将为抗盐太阳能海水淡化提供设计理念。相关论文以为题发表在“ACS Nano< /span> strong>”。
主图
图 1.(a) 传统太阳能蒸发器吸光、透水、蒸汽发生和盐结晶。 (b) 芦苇叶的微观结构和疏水性。 (c) 受芦苇叶启发的纳米纤维气凝胶 (R-NFA) 的光吸收、透水、蒸汽产生和耐盐性。
图2.(a) R-NFAs制造过程示意图. (b-d) 不同放大倍数下 R-NFA 的分级多孔微结构。 (e) R-NFA 的压缩和回弹。 (f) R-NFA 的光吸收和疏水性。 (g) R-NFAs 产生的蒸汽在自制的凝结水收集示范系统的凝结水壳上凝结。
图 3.(a) SNA 应力应变随应变曲线增加. (b) 500 次压缩试验，应变为 60%。 (c) 500 次循环压缩试验中最大应力、能量损失系数和杨氏模量的变化。 (d) R-NFA 的粘弹性。
图 4.(a) R-NFA 和 W-NFA UV -vis-NIR 吸收光谱。 (b, c) R-NFA和W-NFA在1s阳光下空气中的光热转换性能。 (d, e) 蒸发器在 1sun 下从 0 到 30 分钟的温度分布和变化。 (f, g) 蒸发器在不同光强下 30 min 后的温度分布和变化。
图 5.(a) R-NFAs 和纯水合 1在每个太阳下随着时间的推移累积质量损失。 (b) R-NFAs 和纯水在一个太阳下的蒸发率随时间变化。 (c) R-NFA 在 1 次阳光下的可重用性。 (d) R-NFAs 上表面和底层之间的水接触角。 (e) R-NFAs 在不同浓度盐水中的蒸发速率。 (f) 饱和盐水中 R-NFA 和 B-NFA 在 6 个太阳下随时间的蒸发速率。 (g, h) 数码照片显示 R-NFA 的抗盐能力强，B-NFA 的盐分积累。 (i) R-NFAs 和报告的蒸发器之间的耐盐性比较。 Copt 代表氙气灯的光集中系数。
总结
由结构和功能组成受芦苇叶的启发，该团队构建了一种二氧化硅纳米纤维气凝胶蒸发器，该蒸发器模仿维管组织和芦苇叶疏水表面的平行排列，以在高浓度盐水中的高强度光下实现耐盐性。受益于这种仿生结构的优势，R-NFA可以在高浓度盐水中工作而没有任何下降，即使在6个太阳下的饱和盐水（26.3%）中。此外，由于光吸收效率高达 94.8%，R-NFAs 在 6 个太阳下实现了 1.25 kg m-2 h-1 和 6.77 kg m-2 h-1 的蒸发率。 R-NFA 具有可折叠的血管壁和柔性二氧化硅纳米纤维，具有很强的机械性能。经过 500 次压缩循环后，它们可以保持完整，只有大约 20% 的轻微塑性变形。团队期望这种模拟芦苇叶的分层蜂窝结构设计能够为海水淡化、废水处理和太阳能收集等领域带来巨大的启发。
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