余桂华/赵飞/赵辰阳 AFM：首次报道！水凝胶基光热薄膜助力高效低成本太阳能驱动膜蒸馏

【背景介绍】

众所周知，淡水是人类生活所不可缺少的资源。在大自然中，由太阳辐射和风驱动的自然水循环激发了各种太阳能驱动的水净化技术。太阳能驱动蒸汽生成（SVG）可将水从非挥发性污染物溶液中分离出来，引发了广泛的关注。然而，由于不够有效的蒸汽转移，蒸汽的产生在蒸发前沿附近局部湿度较高时会受到抑制，因此SVG水净化技术的淡水产率受到了一定的限制。膜蒸馏技术（MD）是一种基于流体运动增强蒸汽转移的有效手段，然而，MD的高能耗导致其水净化成本过高。近年来，太阳能驱动MD（solar-MD）技术被开发出来并初步应用于可再生能源驱动水净化领域。然而，该技术尚处于萌芽阶段，其能量效率和净水产率仍不能满足实际需求。在基于疏水多孔膜的传统solar-MD系统中，疏水膜的存在使得蒸发前沿（光热表面）位于给水侧（原水侧），因此蒸汽的扩散受到疏水膜的阻碍。由于蒸汽扩散不充分，疏水膜内必然会出现相对湿度（RH）降，从而导致疏水膜/载气界面处的RH较低，不利于后续的蒸汽冷凝收集。此外，温度极化效应也限制了solar-MD的整体能量效率。因此，可以同时实现高蒸发速率和高收集速率的光驱动净水系统设计成为了亟需。

【成果简介】

近日，德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授、赵飞博士，和深圳大学赵辰阳教授（共同通讯作者）等人首次报道了一种基于水凝胶超薄膜（HUM）的solar-MD系统，用以同时现实高蒸发速率、有效水蒸汽转移，和高净水产率。在该系统中，HUM的存在使得蒸发前沿直接暴露于载气侧，促进了蒸发，且高蒸发速率下的蒸发冷却效应使得HUM表面温度低于环境，避免了热损失并实现环境能收集，从而从根本上消除了温度极化。得益于此，HUM基solar-MD系统的输出气流湿度显着增加，使系统可在没有任何能量回收和冷却装置下达到80％的蒸汽收集率，并在一个阳光照射下获得2.4 kg m^-2 h^-1的净水产率。更重要的是，HUM的原材料成本仅为0.36 $ m^-2，使得HUM基solar-MD系统的淡水生产成本低至约为0.3-1.0 $ m^-3。总之，该工作表明基于HUM的solar-MD策略有望同时被用于分散型小规模水净化和集中型大规模水处理。该研究成果以题为“High-Yield and Low-Cost Solar Water Purification via Hydrogel-Based Membrane Distillation”的研究论文发布在国际著名期刊 Adv. Funct. Mater.上。

【图文解读】

图一、基于HUM的solar-MD示意图
a）自然界中的水循环；

b）基于疏水薄膜的传统solar-MD系统和基于HUM的solar-MD系统内湿度和温度分布比较图。

图二、材料设计和表征
a）HUM的照片；

b）HUM中PVA水凝胶层和炭黑层的水传输行为示意图；

c）HUM横截面的SEM图像；

d）HUM的本征和其发生光蒸发时的光热行为。

图三、太阳驱动蒸汽生成（SVG）的性能
a）基于HUM的蒸汽发生器示意图；

b）HUM在不同的条件下的蒸发行为显示出蒸汽扩散对蒸发的重要性；

c-d）气流速率和太阳光强度与蒸发速率和太阳能转化效率之间的关系。

图四、自然环境条件下的solar-MD水净化性能
a-b）水蒸发速率、水收集速率与载气速率之间的关系；

c）HUM基solar-MD系统的长时间工作稳定性；

d）基于HUM的solar-MD系统与文献中的传统solar-MD系统的净水产率对比。

图五、基于HUM的solar-MD系统与已报道的不带制冷或热回收配件的太阳能淡化系统的水净化性能对比

【小结】

综上所述，作者首次报道了基于HUM的高净水率、低成本的solar-MD系统。该系统协同集成了：1）水凝胶蒸发器的高蒸发速率；2）载气辅助的有效蒸汽扩散；3）高效的能量管理。这些协同功能是通过同时具有防水性能和高SVG性能的水凝胶蒸发层来实现的。重新定位的蒸发前沿从根本上改善了蒸汽的扩散动力学，避免了温度极化。总之，该设计代表了一种具有高净水产率、可扩展性和实用性的可持续淡水生产策略。

文献链接：High-Yield and Low-Cost Solar Water Purification via Hydrogel-Based Membrane Distillation. Adv. Funct. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adfm.202101036.

通讯作者简介

余桂华，美国德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学与工程系，机械系终身教授，英国皇家化学学会会士（FRSC）和皇家物理学会会士（FInstP）。

余桂华教授课题组的研究重点是新型功能化材料的合理设计和合成，尤其是对能源和环境凝胶材料的开创性研究，对其化学和物理性质的表征和探索，以及推广其在能源，环境和生命科学领域展现重要的技术应用。目前已在Science, Nature, Nature Reviews Materials, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Communications, Science Advances, PNAS, Chemical Reviews, Chemical Society Reviews, Accounts of Chemical Research, JACS, Angewandte Chemie, Advanced Materials, Energy & Environmental Sciences, Chem, Joule, Nano Letters, ACS Nano, Nano Today, Materials Today 等国际著名刊物上发表论文210余篇，论文引用37,000余次，H-index 101。

现任 ACS Materials Letters 副主编，是近二十个国际著名化学和材料类科学期刊的顾问编委，如Chemical Society Reviews (RSC), ACS Central Science, Chemistry of Materials (ACS), Chem, Cell Reports Physical Science (Cell Press), Nano Research (Springer), Nature Scientific Reports, Energy Storage Materials (Elsevier), Science China-Chemistry, Science China-Materials, Energy & Environmental Materials (Wiley-VCH)等。

本文由CQR编译。

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