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中科院化学所宋延林/吴磊团队 AFM:3D仿生结构诱导多向排盐蒸发器

日期: 来源:高分子科技收集编辑:老酒高分子
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太阳能驱动蒸汽产生技术因其绿色、低成本、可灵活设计等特性被视为缓解人类淡水危机的有效策略。然而,蒸发器使用过程的盐垢问题抑制了蒸发器的蒸发性能和长期使用,同时传统抗盐蒸发器在高盐度环境下单独依靠单通道的扩散、对流排盐等面临着无法有效实现高效排盐的难题。

近日,中国科学院化学研究所宋延林、吴磊团队受猪笼草口缘快速液体输运和海水硬骨鱼的鱼鳃具备有效抗盐性能的启发,设计并提出了一个分别能够在表面和蒸发器内部分别对盐离子的迁移实现调控的“仿鱼鳃蒸发器。”
 

图1:仿鱼鳃蒸发器的设计思路(图源:Advanced Functional Materials

制备的仿鱼鳃蒸发器能够在25.0 wt.% NaCl溶液中实现2.11 kg m-2 h-1蒸发速率,同时能在一个太阳辐射下连续工作140 h保持蒸发表面清洁且蒸发速率稳定。

作者制备了没有空心孔的仿鱼鳃蒸发器作为对照组,利用盐溶解实验证实了仿鱼鳃蒸发器具备着优异的盐离子迁移能力,并使用数值模拟分析了空心孔处的盐回流速率与周围区域的差异,证实了串珠状空心柱阵列结构具备诱导快速纵向离子回流的排盐功能。作者表征了仿鱼鳃蒸发器的表面水膜,同时通过与没有凹槽微腔阵列的仿鱼鳃蒸发器的排盐不足对比,说明凹槽微腔阵列能够诱导蒸发器表面覆盖水膜且为表面离子迁移提供介质。作者表征了蒸发器表面盐度分布,空心孔处盐度低于周围盐度而形成的浓度差驱动了蒸发器表面的离子迁移,证实了凹槽微腔阵列结构具备诱导快速横向离子平流的排盐功能。由此,作者提出了由仿生结构诱导的纵向离子回流和横向离子平流组成的高效多向排盐策略。
 

图2:仿鱼鳃蒸发器的排盐机理(图源:Advanced Functional Materials

进一步地,作者拓展了仿鱼鳃蒸发器在实际环境中的应用,提出了养殖废水淡化-锦鲤培养自循环系统,并通过对淡化后养殖废水的浓度检测、锦鲤真实条件养殖、细胞相容安全检验等方面验证了以太阳能为唯一输入能源的、一体化的、零液体排放的自循环养殖体系的可行性与安全有效性,为利用太阳能实现零污染水产养殖带来新的策略,同时为家庭免换水鱼缸的构建提供思路。

同时,作者提出了一种应用于大面积蒸发器的简单折叠策略,从而提升大面积蒸发器户外便携性,并通过循环失水-水合测试展示了仿鱼鳃蒸发器的失水-恢复性能,进而验证了这种折叠策略的可行性。并通过对仿鱼鳃蒸发器的高强度循环折叠、扭转、卷曲测试,展示了仿鱼鳃蒸发器的长期耐久性,同时通过元素分析验证了仿鱼鳃蒸发器具备长期的化学稳定性。
 

图3:仿鱼鳃蒸发器的实际应用(图源:Advanced Functional Materials

该工作以“A Bionic-Gill 3D Hydrogel Evaporator with Multidirectional Crossflow Salt Mitigation and Aquaculture Applications”为题发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202300318)上。


原文链接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202300318


作者简介

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宋延林,中国科学院化学研究所研究员,绿色印刷重点实验室主任,中国科学院大学长江学者特聘教授。中国材料研究学会、中国印刷技术协会、中国感光学会、中国微米纳米技术学会常务理事;国际电工协会印刷电子工作组专家,Research、Droplet副主编, J. Mater. Chem. C、Infomat、Giant、Carbon Energy 等期刊编委。主要从事光电功能材料、纳米材料与绿色印刷技术研究。作为首席科学家或项目负责人主持国家重点研发计划、中科院战略先导研究计划等项目30余项。已发表SCI 收录论文500余篇,H指数100,被引用35,000余次,并多次被Nature、Science等作为研究亮点报道。主持和参加编写英文专著15部,中文专著2部;获授权中国发明专利100余项,美国、日本、欧盟、韩国等授权发明专利26项。获 2008年和2005 年国家自然科学二等奖,2016年北京市科学技术一等奖;2006 年获国家杰出青年科学基金资助。先后获中国青年科技奖、中国化学会-阿克苏诺贝尔化学奖、IEC1906奖、中科院杰出青年、中国科协求是杰出青年成果转化奖、毕昇印刷技术奖和中华印制大奖等。入选首批科技北京领军人才、中青年科技创新领军人才、万人计划、国家百千万人才工程及全国优秀科技工作者等。


吴磊,博士,中国科学院化学研究所副研究员,中国科学院青年创新促进会会员,中国工程前沿杰出青年学者,入选中国化学会推荐的中国科协人才托举工程。目前主要从事3D打印相关研究,包括3D打印方法、界面浸润性调控等方面的研究工作。以第一作者或通讯作者在Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., Research等期刊发表研究论文16篇,申请和授权中国发明专利10余项。


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