?目前，世界人口的五分之一生活在缺水地區(qū)。對于這些地區(qū)的人們來說，尤其是在缺少穩(wěn)定電力的地區(qū)，獲得干凈的飲用水通常是一項艱巨的任務。因此，迫切需要一種高效，低成本，可持續(xù)和簡單易得的技術(shù)和設備來產(chǎn)生清潔的飲用水。太陽能是地球上最豐富和廣泛的資源之一。太陽能凈水技術(shù)簡單有效，可從不可飲用的水源（如湖水，污水或海水）中獲得干凈的飲用水。
近日，中國科學技術(shù)大學俞書宏院士團隊開發(fā)了一種基于細菌纖維素納米復合材料的高效且可持續(xù)的仿生多層級太陽能蒸汽發(fā)生器（HSSG）。該HSSG是通過一步氣溶膠輔助生物合成過程制造的。經(jīng)過設計的微生物合成過程成功地與納米材料的氣溶膠沉積技術(shù)相結(jié)合，并且直接高效地構(gòu)建了復雜的仿生層級結(jié)構(gòu)。該HSSG的分層結(jié)構(gòu)包含三個具有不同功能的連續(xù)層，包括碳納米管與細菌纖維素復合的光吸收層，玻璃微珠與細菌纖維素復合的隔熱層以及用于支撐和輸水的木質(zhì)基材（圖1）。在HSSG中，細菌纖維素水凝膠的三維纖維素納米纖維網(wǎng)絡顯著降低了將液態(tài)水轉(zhuǎn)化為蒸汽的能耗并加速水汽化。由于這種仿生結(jié)構(gòu)設計和納米網(wǎng)絡降低了蒸發(fā)焓，HSSG可以實現(xiàn)2.9 kg m-2?h-1的高蒸發(fā)速率和80％的太陽能轉(zhuǎn)化效率。論文在線發(fā)表在Nano Letters上（Nano Letters 2020, 10.1021/acs.nanolett.0c01088）。
在該HSSG中，分層結(jié)構(gòu)的納米復合材料在木質(zhì)基底上生長，并通過納米纖維的BC網(wǎng)絡與基底緊密結(jié)合。細菌纖維素納米纖維與木材的纖維素交聯(lián)，形成緊密的滲透層，該滲透層在基底和BC納米復合材料層之間起著牢固的粘合劑的作用。這種結(jié)構(gòu)確保了從基底到BC納米復合材料層的快速水傳輸，并使它們牢固地附著在基底上。這為隔熱和水傳輸提供了結(jié)構(gòu)基礎。玻璃微珠是微米級的空心玻璃球，其鑲嵌分布在細菌纖維素的三維網(wǎng)絡中，為隔熱和水輸送提供了結(jié)構(gòu)基礎。在該器件的頂部，碳納米管和細菌纖維素納米復合材料層具有復雜的交錯結(jié)構(gòu)，其中碳納米管和纖維素納米纖維形成了納米尺度的雙重網(wǎng)絡。在這種雙網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，碳納米管網(wǎng)絡起著高效的光吸收劑的作用，而細菌纖維素納米纖維網(wǎng)絡則用于輸送水和減少蒸發(fā)的能量消耗?；?、玻璃微珠/細菌纖維素層和碳納米管/細菌纖維素層的這種多層結(jié)構(gòu)設計方案旨在實現(xiàn)快速的水傳輸、熱管理、有效的光吸收和減少的汽化能耗。
此外，為了更方便研究蒸發(fā)速率，能量轉(zhuǎn)化效率和蒸發(fā)能量消耗之間的關(guān)系，該研究團隊還提出了一種新穎的二維圖表分析方法，其中的指導線顯示了不同的蒸發(fā)焓。這種理論分析方法可用以分析太陽能蒸汽發(fā)生器器件中不同功能部件對蒸發(fā)速率的貢獻。
與其他太陽能凈水技術(shù)相比，這種HSSG蒸汽發(fā)生器在蒸發(fā)率、能量轉(zhuǎn)化效率、可持續(xù)性和成本方面具有很大的優(yōu)勢，有望發(fā)展成為未來水凈化中的新的技術(shù)途徑。
該研究受到國家自然科學基金委創(chuàng)新研究群體、國家自然科學基金重點項目、中國科學院前沿科學重點研究項目、中國科學院納米科學卓越創(chuàng)新中心、合肥綜合性國家科學中心等資助。
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