山东第一医科大学李晨蔚团队Advanced Science：梯度石墨烯气凝胶用于高效太阳能蒸发和零液体排放脱盐

01  【科学背景】

随着世界人口的增长和现代工农业的发展，淡水资源短缺已成为最严重的全球性问题之一。虽然近75%的地球表面被水覆盖，但其中约97%是海水。尽管传统的海水淡化技术成为解决淡水短缺的可行方法，但是海水淡化厂的废盐水大多直接排入邻近的湖泊或海洋，严重影响了生态环境。近年来，太阳能驱动界面蒸发技术因其取之不尽、用之不竭的太阳能和海水供应，以及通过将热能限制在水--空气界面有效地提高蒸发效率的特点，被广泛认为是最有前景的淡水生产技术之一。与传统的海水淡化技术不同，太阳能驱动界面蒸发技术可以最大限度地减少处理高浓度盐水时的碳排放。然而，在太阳能海水淡化过程中，由于水蒸汽的快速产生导致了局部盐水浓度显著增加，最终导致了盐结晶逐渐沉积在太阳能蒸发器的表面。盐结晶不仅严重影响了太阳光的吸收，降低了光热转换效率，而且还阻碍了盐水的供应，最终导致蒸发性能显著下降。因此，设计一种能够高效、连续处理高浓度盐水，并实现零液体排放脱盐的太阳能蒸发器是一项重大挑战。

02  【成果简介】

针对以上挑战，山东第一医科大学李晨蔚教授团队首次提出一种创新策略，通过简单且环保的光还原和常压干燥的方法，制备了具有三维梯度石墨烯螺旋海绵的气凝胶。这种气凝胶在太阳能蒸发高浓度盐水方面展现出卓越的性能，并成功实现了零液体排放脱盐。该气凝胶的螺旋结构显著提高了能量回收效率，而其梯度网络结构则促进了盐水的径向输送和定向盐结晶。这两种结构的完美匹配，使得气凝胶在太阳能蒸发（6.5 kg m^-2 h^-1）、盐收集（1.5 kg m^-2 h^-1）、零液体排放脱盐，以及长期耐久性（在20wt%盐水中连续蒸发144小时）方面均表现出色。在室外实验中，该气凝胶表现出3.1 kg m^-2 h^-1的超高产水速率，这一性能超过目前报道的其他太阳能脱盐装置。此外，研究团队还展示了一种基于该气凝胶的连续脱盐灌溉系统，该系统在偏远地区具有巨大的应用潜力，有望实现可持续的农业灌溉。这项工作不仅展示了一种新颖的太阳能蒸发器设计，并为设计耐盐高效的下一代太阳能海水淡化装置提供了重要的科学依据。

03  【文章简介】

近日，该研究成果于山东第一医科大学李晨蔚教授团队以 “Gradient Graphene Spiral Sponges for Efficient Solar Evaporation and Zero Liquid Discharge Desalination with Directional Salt Crystallization”为题发表在国际知名学术期刊《Advanced Science》上。山东第一医科大学2022级硕士研究生赵德民为本文第一作者，李晨蔚教授与丁美春副教授为共同通讯作者，山东第一医科大学为本文第一完成单位。

04  【图文解析】

图1. (a) 三维梯度石墨烯螺旋气凝胶(GGS) 作为定向结晶蒸发器的示意图。螺旋结构提高了能量回收效率，而梯度石墨烯网络实现了盐水径向输送和定向盐结晶。(b) 梯度石墨烯网络的SEM图像。梯度石墨烯网络的孔径从中心的150 μm逐渐减小到边缘的20 μm。

图2. (a) PMF-(2-10)的制备原理图以及MF和PMF-(2-10)的SEM图像。(b) GF和PGF-(2-10)的制备过程原理图。将MF 和 PMF-(2-10) 通过三个连续的步骤转化为GF和PGF-(2-10)：喷涂、空气干燥和太阳光还原。(c) GGS的分步制备步骤及GF和PGF-(2-10)的SEM图像。

图3. (a) 石墨烯气凝胶表面盐结晶示意图。(b) 在一个太阳光强照射下，石墨烯气凝胶在20 wt%的盐水中进行48小时脱盐试验时的照片。(c) 梯度石墨烯气凝胶定向盐结晶的示意图。(d)在20 wt%的盐水中，梯度石墨烯气凝胶进行48小时脱盐试验时的照片。(e) GGS的定向盐结晶和能量回收示意图。(f) GGS进行 48 小时脱盐试验时的照片。(g)梯度石墨烯气凝胶和 GGS在 20 wt%的盐水中的质量变化随时间的变化。GGS在 20wt%盐水中的 (h) 流体速度和 (i) 盐度分布的数值模拟。

图4. (a) 2D 石墨烯气凝胶和3D GGS的蒸发过程示意图。(b) 在1个太阳光强照射下，GGS (4、6和8 cm)在20 wt%盐水中的质量随时间变化。(c)GGS海绵(4、6和8 cm)连续脱盐72 小时的蒸发速率。(d) GGS和其他已报道的太阳能脱盐装置的蒸发速率、蒸发盐水浓度和连续蒸发时间的比较。(e) GGS外表面盐层红外辐射热成像图。(f) GGS与其他太阳能脱盐装置的集盐速率比较。(g) GGS连续脱盐72小时试验时的照片。

图5. (a) 和 (b) 分别是基于GGS的自制淡水收集装置在室外太阳能脱盐之前和之后的照片。(c)从上午9：00至下午5：00室外太阳能脱盐装置收集的淡水照片。(d) 室外太阳能脱盐试验时的环境条件(温度和太阳光照强度)。(e) 3月27日至4月2日室外太阳能脱盐试验期间的淡水产量和环境条件(平均温度和相对湿度)。(f) 基于GGS的室外太阳能脱盐装置的淡水生产性能，并与近期文献报道进行比较。(g) 太阳能脱盐前后Na⁺ 的浓度。(h) 真实海水在太阳能脱盐前后的主要离子浓度。(i) GGS在20 wt%盐水中连续脱盐144小时的蒸发速率。第一次循环试验结束收集盐层后，GGS可恢复第二轮连续72小时试验。(j) 自制的连续脱盐灌溉系统装置。(k) 分别用20 wt%的盐水、净化水和自来水灌溉15天后的小麦生长情况的照片。(l) 连续脱盐灌溉系统的潜在应用简图。

文章信息：

Demin Zhao, Meichun Ding*, Tianhao Lin, Zhenying Duan, Rui Wei, Panpan Feng, Jiahui Yu, Chen-Yang Liu, Chenwei Li*, Gradient Graphene Spiral Sponges for Efficient Solar Evaporation and Zero Liquid Discharge Desalination with Directional Salt Crystallization, Advanced Science, 2024, 2400310.

全文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202400310

作者简介：

李晨蔚，山东第一医科大学化学与制药工程学院教授/博士生导师，泰山学者青年专家，济南C类人才（省级领军人才）。2016年博士毕业于中科院化学所。2021年加入山东第一医科大学，入驻济南校区医学科技创新中心，并组建“石墨烯复合功能材料”研究团队。目前从事主要研究高力学性能石墨烯气凝胶的制备及其在太阳能海水淡化、医疗废水处理、储能、电催化、生物医用等领域的应用。近年来，以第一作者和通讯作者在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Advanced Science等国际知名期刊上发表SCI论文30余篇，并主持多项重要科研项目。目前担任山东省国际人才交流协会医学人才分会委员、Exploration、Nano Materials Science等期刊的青年编委。团队长期招聘青年教师、博士后，有意者可将简历发至邮箱：lichenwei@iccas.ac.cn。

丁美春，山东第一医科大学化学与制药工程学院副教授。2015年7月获中国科学院化学研究所博士学位，导师为张军研究员。2015年8月至2017年9月于青岛科技大学开展博士后研究工作。2021年9月加入山东第一医科大学。研究方向为石墨烯复合材料的制备及功能化研究、纳米纤维素凝胶的制备及生物医用研究。在国内外期刊发表研究论文20余篇，以第一作者或通讯作者在Advanced Science、Carbon Energy、Carbohydrate Polymers、Cellulose、Solar RRL等期刊发表SCI高水平论文12篇。