AM|海水的太陽能界面蒸發(fā)快于純水

Part.01

研究背景

全球淡水資源稀缺已成為威脅人類生存與發(fā)展的嚴峻挑戰(zhàn)，預計到2050年，全球75%的人口將面臨清潔水短缺的困境 。盡管海水淡化是解決該問題的有效戰(zhàn)略，但傳統(tǒng)的反滲透和熱蒸餾等技術(shù)因能源消耗巨大且碳足跡高，難以滿足大規(guī)模可持續(xù)應(yīng)用的需求 。相比之下，基于界面太陽能蒸發(fā)的技術(shù)因其利用可持續(xù)的太陽能、工藝綠色環(huán)保且蒸發(fā)性能優(yōu)異，被認為是極具前景的替代方案 。

然而，在實際的海水界面太陽能蒸發(fā)中，除了常見的鹽分結(jié)垢會阻塞光吸收和水傳輸外，還存在一個本質(zhì)的物理障礙 。海水中的鹽離子與水分子之間存在強烈的“水合作用”，這會增加水分子從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)所需的能量（蒸發(fā)焓），從而顯著阻礙水分子的逃逸 。這一現(xiàn)象使得海水的界面太陽能蒸發(fā)速率普遍低于純水，通常比純水蒸發(fā)慢約8.0% 。

為了解決這一痛點，該研究提出了一種簡單且通用的策略，實現(xiàn)海水蒸發(fā)速率高于純水 。通過在光熱蒸發(fā)器中引入特定的礦物材料，利用其在界面處自發(fā)的離子交換作用富集海水中的 Mg2+ 和 Ca2+，從而成功降低了海水的蒸發(fā)焓 。這種方法不僅能大幅提升海水淡化效率，還有望顯著增加清潔淡水的產(chǎn)出，為全球數(shù)百萬面臨水資源短缺的人口帶來福音 。

相關(guān)工作以"Making Interfacial Solar Evaporation of Seawater Faster than Fresh Water"為題發(fā)表在《Advanced Materials》期刊上。

(中科院一區(qū)TOP，IF=29.4)。

Part.02

研究數(shù)據(jù)

圖1.a)通過 HNT中的 Al3+ 與海水中 Mg2+ 的自發(fā)離子交換，將 Mg2+富集在蒸發(fā)表面，從而實現(xiàn)比純水更快的海水蒸發(fā)示意圖 。b)Al3+–Mg2+離子交換過程之前（左）和之后（右）不同結(jié)構(gòu)的快照(O、H、Al、Si、Mg 分別為紅色、白色、粉色、黃色和青色）。選定離子交換位點的 Al-O 和 Mg-O 鍵距隨時間的變化 。

圖2.HNT光熱水凝膠的蒸發(fā)性能。a)HNT-陽離子相互作用的結(jié)構(gòu)模型（O、H、Al、Si、Mg、Ca、Na、K 分別為紅色、白色、紫色、黃色、青色、粉色、橙色和綠色）。b) 通過 DFT 計算得出的Mg2+、Ca2+、Na+、K+和HNT之間的吸收能。c) 通過 DFT 計算得出的 HNT 中一個 Al 被其他離子(Mg2+、Ca2+、Na+或K+)取代后的四種金屬-氧鍵解離能 。d) 初始、水處理和海水處理的HNT的離子濃度。e) SEM圖像，插圖：水凝膠的照片。f) 一個太陽光下界面太陽蒸發(fā)過程中水和不同濃度海水的質(zhì)量損失。g) 一個太陽下水和不同濃度海水的蒸發(fā)率。h) 拉曼光譜，顯示了 HNT 光熱水凝膠中海水和純水的 IW（中間水）和 FW（自由水）擬合峰 。i) HNT 光熱水凝膠在純水和海水中蒸發(fā)焓降低的示意圖 。

圖3.海水蒸發(fā)速度比純水快的機制。a) MD模擬的四種不同模型鹽溶液。b) 不同陽離子和水的O原子之間的RDF。c) 不同溶液中所有水分子之間的相互作用能。d) Na+、K+、Ca2+、Mg2+第一和第二溶劑化殼層中水分子的平均氫鍵數(shù)。e) 四種溶液的1H NMR光譜。f) 顯示MgCl2溶液IW 和 FW 擬合峰的拉曼光譜 。g) 四種鹽溶液的IW與FW之比。

圖4.分別在 0、50、100 和 200 ps 時，原始 HNT 表面上水分流失和離子改性 HNT 表面上的海水流失快照 。

圖5.海水蒸發(fā)速度比純水快的策略的普遍性。a-c) BN、ZL 和 MN 光熱氣凝膠的截面掃描電鏡 (SEM) 圖像 。d-f) 初始、水處理后和海水處理后的 BN、ZL 和 MN 的離子濃度 。g-i) BN、ZL 和 MN 光熱海水的蒸發(fā)速率 。

Part.03

研究結(jié)論

本研究提出了一種在光熱蒸發(fā)器中引入特定的礦物材料的通用策略，成功實現(xiàn)了海水界面太陽能蒸發(fā)速率快于純水的創(chuàng)新突破 。該機制依賴于礦物材料在蒸發(fā)界面自發(fā)的離子交換作用，通過富集 Mg2+和 Ca2+ 來破壞水分子的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，從而顯著降低了海水蒸發(fā)的焓值，使水分子更易氣化 。實驗結(jié)果表明，改性后的蒸發(fā)器海水蒸發(fā)速率提升至 2.09 kg·m-2·h-1，較純水蒸發(fā)速率提升了 18.9%，且在長達 90 小時的連續(xù)測試及 4 個月的海水浸泡實驗中，均表現(xiàn)出卓越的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與蒸發(fā)性能 。該策略具備極強的普適性，適用于多種礦物材料及不同結(jié)構(gòu)的光熱蒸發(fā)器，為提升現(xiàn)有淡化工廠的清潔淡水產(chǎn)能提供了一種低成本、可規(guī)模化的工程解決方案，具有重要的學術(shù)價值與應(yīng)用前景 。

Part.04

DOI：10.1002/adma.202414045

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