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借鑑自然界中的生物體，是創新科學研究的源泉，是創造新材料和新器件的重要途徑。近日，南京大學唐少春教授團隊從天然植物蓮的光合作用過程獲得啟發，設計並研發出一種新型具有Janus潤溼性和仿生三維結構的高效能太陽能蒸發器（3D-LBE）。該仿生蒸發器結構見圖1所示，主要包括太陽光強吸收“荷葉”、親水的“蓮莖”以及具有呼吸作用的多孔“根”構成。3D-LBE中光熱部分類似於具有Janus潤溼性的大面積荷葉，表現出91.37%的太陽能高吸收率。在1 kW m‑2太陽光照射下，3D-LBE蒸發器可實現3.23 kg m‑2 h‑1的水蒸發速率，光-蒸汽能量轉換效率高達153.20%；而且，3D-LBE擁有超強去汙能力，保證了介面蒸發的長效穩定性。該成果以“Lotus-Inspired 3D Biomimetic Design toward Advanced Solar Steam Evaporator with Ultrahigh Efficiency and Remarkable Stability”為題發表在國際知名期刊Materials Horizons上（2022, DOI: 10.1039/D1MH02020J）。
圖文解析
圖1. 受植物蓮啟發設計的新型太陽能蒸發器的三維仿生結構示意圖。
圖2. 多孔碳纖維和金屬氧化物奈米顆粒構成三維網狀光熱轉化層的微觀結構。
圖3. 太陽光吸收層在250~2500 nm波段的光吸收譜；不同太陽能蒸發器在太陽光持續照射下剩餘水的質量變化曲線。
圖4. 不同太陽能蒸發器在1 kW m‑2太陽光照射下的紅外熱成像圖及其表面溫度隨時間的變化曲線。
為了評價3D-LBE蒸發器對脫鹽和有機汙染廢水的淨化能力，團隊採用ICPOES儀器（最佳5300DV，精度0.1mgL-1）進行了測試。結果表明，針對不同鹽度的海水，測試鈉離子濃度都表現出顯著下降，降低幅度達到四個數量級。3D-LBE器件的表面在整個蒸發過程中都保持清潔，表明其很強的防汙能力。這主要是由於，三維互連的多孔結構阻止了鹽晶體的聚集堵塞，同時摻雜化學賦予多孔碳更豐富的活性位，使電子活化協同效應更有效地吸附和降解有機物。
為了更加直觀地觀察海水淡化過程中蒸汽的產生，團隊採用聚光鏡對蒸發面產生的蒸汽進行了拍攝。可以清晰看到，固液介面處有大量水蒸氣持續生成（見圖5c）。
圖5. 3D-LBE蒸發器對鹽水和模擬海水的淨化效果及其鹽水處理前後的表面圖。
圖6. 3D-LBE蒸發器對含重金屬離子、染料汙水的淨化效果及迴圈穩定性測試。
針對含多種基礎離子（Na+、Mg2+、K+、Ca2+）的海水，團隊研究了3D-LBE蒸發器對其淡化處理能力。由圖6a可知，處理後這幾種離子的濃度均顯著降低。考慮到一些廢水溶液中還存在重金屬離子，團隊利用3D-LBE蒸發器對濃度為104 mg.L-1的重金屬離子（Cu2+、Pb2+和Cd2+）溶液處理，並對收集蒸發出來的水進行測試。結果表明，有害離子（Cu2+、Pb2+和Cd2+）的濃度分別為0.03、0.01和0.02 mg L-1，遠低於國家標準規定的排放濃度。針對有機染料剛果紅（CR；496nm）和健那綠B （JGB；604nm）水溶液，經3D-LBE淡化處理後收集的蒸餾水，其特徵吸收峰強度均接近零。特別是，經過40次迴圈後，3D-LBE裝置的蒸發速率幾乎沒有衰減，進一步表明3D-LBE具有良好的穩定性。
團隊在南京大學工程與應用科學學院大樓外（32°7'16"N，118°57'19"E）進行了戶外自然陽光碟機動的海水淡化應用試驗。3D-LBE器件漂浮在容器中的海水錶面，輻照強度和溫度隨時間變化，最大值分別為35.40 mW/cm2和9℃。針對3.5%的氯化鈉溶液介面蒸發，12 h後收集的冷凝蒸發水累計達2.83 kg.m2。
總結與展望
受植物蓮啟發，唐少春團隊設計並開發出一種新型的仿生3D太陽能蒸發器，其具有Janus潤溼性和仿生物多孔結構。該蒸發器的光-蒸汽能量轉換效率高達153.20%，主要由強光吸收層“荷葉”（吸收率91.37%）、快速輸水的“莖”和平行大孔高效呼吸的“根”共同實現。該效率超過了大多數碳基和其他仿生結構構建的介面蒸發器，甚至高鹽度的廢水或有機汙水也能實現長效穩定工作。
水資源短缺是全球未來面臨的主要挑戰之一，隨著城市化和氣候變化的影響，水資源短缺變得日益緊迫。陽光是最豐富的可再生清潔能源，利用太陽光碟機動的介面蒸發技術可用於海水淡化、鹽水分離和汙水/廢水淨化等領域，因此有望成為解決缺水問題最有效的綠色方案之一。該技術不僅在淨化汙水、淡化海水方面潛力巨大，而且可以發展成為為一種零能耗、無汙染的分離提純技術。這項工作為基於太陽能高效利用的新材料及器件開發提供了一種新的思路和有效途徑。
南京大學現代工程與應用科學學院副研究員張榮和博士後相波為該論文的共同第一作者，通訊作者是南京大學唐少春教授。該研究受到國家自然科學基金、江蘇省重點研發計劃、中國博士後基金、江蘇省博士後基金等專案的資助。
文獻來源
R. Zhang, B. Xiang, Y. Wang, S. Tang, X. Meng, Lotus-Inspired 3D Biomimetic Design toward Advanced Solar Steam Evaporator with Ultrahigh Efficiency and Remarkable Stability. Materials Horizons, 2022, DOI: 10.1039/D1MH02020J
