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中科院化學(xué)所宋延林/吳磊團(tuán)隊(duì) AFM:3D仿生結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)多向排鹽蒸發(fā)器
2023-03-14  來(lái)源:高分子科技

  太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)蒸汽產(chǎn)生技術(shù)因其綠色、低成本、可靈活設(shè)計(jì)等特性被視為緩解人類(lèi)淡水危機(jī)的有效策略。然而,蒸發(fā)器使用過(guò)程的鹽垢問(wèn)題抑制了蒸發(fā)器的蒸發(fā)性能和長(zhǎng)期使用,同時(shí)傳統(tǒng)抗鹽蒸發(fā)器在高鹽度環(huán)境下單獨(dú)依靠單通道的擴(kuò)散、對(duì)流排鹽等面臨著無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)高效排鹽的難題。


  近日,中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所宋延林、吳磊團(tuán)隊(duì)受豬籠草口緣快速液體輸運(yùn)和海水硬骨魚(yú)的魚(yú)鰓具備有效抗鹽性能的啟發(fā),設(shè)計(jì)并提出了一個(gè)分別能夠在表面和蒸發(fā)器內(nèi)部分別對(duì)鹽離子的遷移實(shí)現(xiàn)調(diào)控的“仿魚(yú)鰓蒸發(fā)器。” 


1:仿魚(yú)鰓蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)思路(圖源:Advanced Functional Materials


  制備的仿魚(yú)鰓蒸發(fā)器能夠在25.0 wt.% NaCl溶液中實(shí)現(xiàn)2.11 kg m-2 h-1蒸發(fā)速率,同時(shí)能在一個(gè)太陽(yáng)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(méi)有空心孔的仿魚(yú)鰓蒸發(fā)器作為對(duì)照組,利用鹽溶解實(shí)驗(yàn)證實(shí)了仿魚(yú)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?chē)鷧^(qū)域的差異,證實(shí)了串珠狀空心柱陣列結(jié)構(gòu)具備誘導(dǎo)快速縱向離子回流的排鹽功能。作者表征了仿魚(yú)鰓蒸發(fā)器的表面水膜,同時(shí)通過(guò)與沒(méi)有凹槽微腔陣列的仿魚(yú)鰓蒸發(fā)器的排鹽不足對(duì)比,說(shuō)明凹槽微腔陣列能夠誘導(dǎo)蒸發(fā)器表面覆蓋水膜且為表面離子遷移提供介質(zhì)。作者表征了蒸發(fā)器表面鹽度分布,空心孔處鹽度低于周?chē)}度而形成的濃度差驅(qū)動(dòng)了蒸發(fā)器表面的離子遷移,證實(shí)了凹槽微腔陣列結(jié)構(gòu)具備誘導(dǎo)快速橫向離子平流的排鹽功能。由此,作者提出了由仿生結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)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(yú)鰓蒸發(fā)器的排鹽機(jī)理(圖源:Advanced Functional Materials


  進(jìn)一步地,作者拓展了仿魚(yú)鰓蒸發(fā)器在實(shí)際環(huán)境中的應(yīng)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(guò)對(duì)淡化后養(yǎng)殖廢水的濃度檢測(cè)、錦鯉真實(shí)條件養(yǎng)殖、細(xì)胞相容安全檢驗(yàn)等方面驗(yàn)證了以太陽(yáng)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(yáng)能實(shí)現(xiàn)零污染水產(chǎn)養(yǎng)殖帶來(lái)新的策略,同時(shí)為家庭免換水魚(yú)缸的構(gòu)建提供思路。


  同時(shí),作者提出了一種應(yīng)用于大面積蒸發(fā)器的簡(jiǎn)單折疊策略,從而提升大面積蒸發(fā)器戶(hù)外便攜性,并通過(guò)循環(huán)失水-水合測(cè)試展示了仿魚(yú)鰓蒸發(fā)器的失水-恢復(fù)性能,進(jìn)而驗(yàn)證了這種折疊策略的可行性。并通過(guò)對(duì)仿魚(yú)鰓蒸發(fā)器的高強(qiáng)度循環(huán)折疊、扭轉(zhuǎn)、卷曲測(cè)試,展示了仿魚(yú)鰓蒸發(fā)器的長(zhǎng)期耐久性,同時(shí)通過(guò)元素分析驗(yàn)證了仿魚(yú)鰓蒸發(fā)器具備長(zhǎng)期的化學(xué)穩(wěn)定性。 


3:仿魚(yú)鰓蒸發(fā)器的實(shí)際應(yīng)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(jiǎn)介



宋延林,中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所研究員,綠色印刷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任,中國(guó)科學(xué)院大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授。中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)、中國(guó)印刷技術(shù)協(xié)會(huì)、中國(guó)感光學(xué)會(huì)、中國(guó)微米納米技術(shù)學(xué)會(huì)常務(wù)理事;國(guó)際電工協(xié)會(huì)印刷電子工作組專(zhuān)家,ResearchDroplet副主編, J. Mater. Chem. CInfomatGiantCarbon 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(shù)研究。作為首席科學(xué)家或項(xiàng)目負(fù)責(zé)人主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)研究計(jì)劃等項(xiàng)目30余項(xiàng)。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NatureScience等作為研究亮點(diǎn)報(bào)道。主持和參加編寫(xiě)英文專(zhuān)著15部,中文專(zhuān)著2部;獲授權(quán)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利100余項(xiàng),美國(guó)、日本、歐盟、韓國(guó)等授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利26項(xiàng)。獲 2008年和2005 年國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng),2016年北京市科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng);2006 年獲國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助。先后獲中國(guó)青年科技獎(jiǎng)、中國(guó)化學(xué)會(huì)-阿克蘇諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)、IEC1906獎(jiǎng)、中科院杰出青年、中國(guó)科協(xié)求是杰出青年成果轉(zhuǎn)化獎(jiǎng)、畢昇印刷技術(shù)獎(jiǎng)和中華印制大獎(jiǎng)等。入選首批科技北京領(lǐng)軍人才、中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、萬(wàn)人計(jì)劃、國(guó)家百千萬(wàn)人才工程及全國(guó)優(yōu)秀科技工作者等。



吳磊,博士,中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所副研究員,中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員,中國(guó)工程前沿杰出青年學(xué)者,入選中國(guó)化學(xué)會(huì)推薦的中國(guó)科協(xié)人才托舉工程。目前主要從事3D打印相關(guān)研究,包括3D打印方法、界面浸潤(rùn)性調(diào)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(qǐng)和授權(quán)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利10余項(xiàng)。

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