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中科院化學所宋延林/吳磊團隊 AFM:3D仿生結構誘導多向排鹽蒸發(fā)器
2023-03-14  來源:高分子科技

  太陽能驅動蒸汽產生技術因其綠色、低成本、可靈活設計等特性被視為緩解人類淡水危機的有效策略。然而,蒸發(fā)器使用過程的鹽垢問題抑制了蒸發(fā)器的蒸發(fā)性能和長期使用,同時傳統(tǒng)抗鹽蒸發(fā)器在高鹽度環(huán)境下單獨依靠單通道的擴散、對流排鹽等面臨著無法有效實現(xiàn)高效排鹽的難題。


  近日,中國科學院化學研究所宋延林、吳磊團隊受豬籠草口緣快速液體輸運和海水硬骨魚的魚鰓具備有效抗鹽性能的啟發(fā),設計并提出了一個分別能夠在表面和蒸發(fā)器內部分別對鹽離子的遷移實現(xiàn)調控的“仿魚鰓蒸發(fā)器! 


1:仿魚鰓蒸發(fā)器的設計思路(圖源:Advanced Functional Materials


  制備的仿魚鰓蒸發(fā)器能夠在25.0 wt.% NaCl溶液中實現(xiàn)2.11 kg m-2 h-1蒸發(fā)速率,同時能在一個太陽輻射下連續(xù)工作140 h保持蒸發(fā)表面清潔且蒸發(fā)速率穩(wěn)定。


  作者制備了沒有空心孔的仿魚鰓蒸發(fā)器作為對照組,利用鹽溶解實驗證實了仿魚鰓蒸發(fā)器具備著優(yōu)異的鹽離子遷移能力,并使用數(shù)值模擬分析了空心孔處的鹽回流速率與周圍區(qū)域的差異,證實了串珠狀空心柱陣列結構具備誘導快速縱向離子回流的排鹽功能。作者表征了仿魚鰓蒸發(fā)器的表面水膜,同時通過與沒有凹槽微腔陣列的仿魚鰓蒸發(fā)器的排鹽不足對比,說明凹槽微腔陣列能夠誘導蒸發(fā)器表面覆蓋水膜且為表面離子遷移提供介質。作者表征了蒸發(fā)器表面鹽度分布,空心孔處鹽度低于周圍鹽度而形成的濃度差驅動了蒸發(fā)器表面的離子遷移,證實了凹槽微腔陣列結構具備誘導快速橫向離子平流的排鹽功能。由此,作者提出了由仿生結構誘導的縱向離子回流和橫向離子平流組成的高效多向排鹽策略。 


2:仿魚鰓蒸發(fā)器的排鹽機理(圖源:Advanced Functional Materials


  進一步地,作者拓展了仿魚鰓蒸發(fā)器在實際環(huán)境中的應用,提出了養(yǎng)殖廢水淡化-錦鯉培養(yǎng)自循環(huán)系統(tǒng),并通過對淡化后養(yǎng)殖廢水的濃度檢測、錦鯉真實條件養(yǎng)殖、細胞相容安全檢驗等方面驗證了以太陽能為唯一輸入能源的、一體化的、零液體排放的自循環(huán)養(yǎng)殖體系的可行性與安全有效性,為利用太陽能實現(xiàn)零污染水產養(yǎng)殖帶來新的策略,同時為家庭免換水魚缸的構建提供思路。


  同時,作者提出了一種應用于大面積蒸發(fā)器的簡單折疊策略,從而提升大面積蒸發(fā)器戶外便攜性,并通過循環(huán)失水-水合測試展示了仿魚鰓蒸發(fā)器的失水-恢復性能,進而驗證了這種折疊策略的可行性。并通過對仿魚鰓蒸發(fā)器的高強度循環(huán)折疊、扭轉、卷曲測試,展示了仿魚鰓蒸發(fā)器的長期耐久性,同時通過元素分析驗證了仿魚鰓蒸發(fā)器具備長期的化學穩(wěn)定性。 


3:仿魚鰓蒸發(fā)器的實際應用(圖源:Advanced Functional Materials


  該工作以“A Bionic-Gill 3D Hydrogel Evaporator with Multidirectional Crossflow Salt Mitigation and Aquaculture Applications”為題發(fā)表在Advanced Functional MaterialsDOI: 10.1002/adfm.202300318)上


  原文鏈接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202300318


作者簡介



宋延林,中國科學院化學研究所研究員,綠色印刷重點實驗室主任,中國科學院大學長江學者特聘教授。中國材料研究學會、中國印刷技術協(xié)會、中國感光學會、中國微米納米技術學會常務理事;國際電工協(xié)會印刷電子工作組專家,Research、Droplet副主編, J. Mater. Chem. C、Infomat、Giant、Carbon Energy 等期刊編委。主要從事光電功能材料、納米材料與綠色印刷技術研究。作為首席科學家或項目負責人主持國家重點研發(fā)計劃、中科院戰(zhàn)略先導研究計劃等項目30余項。已發(fā)表SCI 收錄論文500余篇,H指數(shù)100,被引用35,000余次,并多次被Nature、Science等作為研究亮點報道。主持和參加編寫英文專著15部,中文專著2部;獲授權中國發(fā)明專利100余項,美國、日本、歐盟、韓國等授權發(fā)明專利26項。獲 2008年和2005 年國家自然科學二等獎,2016年北京市科學技術一等獎;2006 年獲國家杰出青年科學基金資助。先后獲中國青年科技獎、中國化學會-阿克蘇諾貝爾化學獎、IEC1906獎、中科院杰出青年、中國科協(xié)求是杰出青年成果轉化獎、畢昇印刷技術獎和中華印制大獎等。入選首批科技北京領軍人才、中青年科技創(chuàng)新領軍人才、萬人計劃、國家百千萬人才工程及全國優(yōu)秀科技工作者等。



吳磊,博士,中國科學院化學研究所副研究員,中國科學院青年創(chuàng)新促進會會員,中國工程前沿杰出青年學者,入選中國化學會推薦的中國科協(xié)人才托舉工程。目前主要從事3D打印相關研究,包括3D打印方法、界面浸潤性調控等方面的研究工作。以第一作者或通訊作者在Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., Research等期刊發(fā)表研究論文16篇,申請和授權中國發(fā)明專利10余項。

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(責任編輯:xu)
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