山东第一医科大学李晨蔚&丁美春Carbon Energy：用于高浓度盐水零排放脱盐的三维螺旋状石墨烯气凝胶

01  【科学背景】

淡水资源的短缺已成为21世纪全球亟待解决的重大挑战。虽然近75%的地球表面被水覆盖，但其中约97%是海水。尽管诸如反渗透法等海水淡化技术为应对这一问题提供了重要途径，但这些技术需要消耗大量的化石燃料，同时产生大量浓废盐水，不可避免地给生态环境带来了潜在的威胁。近年来，太阳能界面蒸发技术凭借其高效太阳能转换效率和低碳环保特性，被广泛认为是最有前景的淡水生产技术之一。然而，太阳能蒸发器在海水淡化过程中面临着盐分结晶问题的困扰，沉积在太阳能蒸发器表面的盐层不仅严重影响了太阳光的吸收，降低了光热转换效率，而且还阻碍了盐水的运输，最终导致蒸发性能显著下降，这严重限制其使用寿命。因此，开发一种能够高效、连续处理高浓度盐水，并实现零液体排放脱盐的太阳能蒸发器，对于缓解全球淡水资源短缺和环境污染问题具有至关重要的意义。

02  【成果简介】

面对以上挑战，山东第一医科大学李晨蔚教授和丁美春副教授提出了一种创新策略，通过简单且环保的太阳光还原和常压干燥技术，成功制备出3D螺旋状石墨烯气凝胶，作为高效太阳能蒸发器。该气凝胶在接近饱和的盐水中表现出卓越的蒸发性能、盐分收集能力以及零液体排放特性。石墨烯气凝胶独特的3D螺旋结构设计不仅优化了能量回收过程，而且促进了盐水的径向输送和盐分的定向结晶。在一个太阳光的照射下，该气凝胶展现出高达9.05 kg m^-2 h^-1的平均蒸发速率。此外，其外表面形成的定向盐结晶显著扩大了蒸发面积，从而实现了2.92 kg m^-2 h^-1的超高盐收集速率。更重要的是，即使在接近饱和（25 wt%）的高浓度盐水条件下，3D螺旋状石墨烯气凝胶仍能实现零液体排放脱盐。其可拆卸的外层设计使得盐分收集变得简便高效，使其可以长时间（长达96小时）处理高浓度盐水。在室外测试中，基于3D螺旋状石墨烯气凝胶的淡水收集装置表现出创纪录的3.14 kg m^-2 h^-1的产水速率，这充分证明了其在实际应用中的巨大潜力。这项研究不仅展示了一种新颖且环保的制备策略，并为推动高性能和低成本太阳能蒸发器的研发和应用提供了重要的科学依据。

03  【文章简介】

近日，该研究成果于山东第一医科大学李晨蔚教授团队以 “Highly efficient three-dimensional solar evaporator for zero liquid discharge desalination of high-salinity brine”为题发表在国际知名学术期刊《Carbon Energy》上。山东第一医科大学丁美春教授为该论文第一作者。山东第一医科大学李晨蔚教授为本文的唯一通讯作者。山东第一医科大学为本文第一完成单位。

04  【图文解析】

图1. (A) 3D螺旋状石墨烯气凝胶太阳能蒸发器的示意图；(B) 通过定向盐结晶实现高效太阳能蒸发和盐收集的示意图。①能量回收；②三维供水；③盐水径向输送；④定向盐结晶；⑤环境能量获取。

图2. (A) 3D螺旋状石墨烯气凝胶的制备过程；(B-D) 分别是pMF、GO/CNCs膜、GF的SEM图像；(E) XRD谱图；(F) XPS谱图；(G) Raman谱图。

图3. (A) 3D螺旋状石墨烯气凝胶能量回收示意图，通过独特的三维螺旋结构，实现能量的高效回收与利用；(B) UV-vis-NIR反射光谱；(C) 3D螺旋状石墨烯气凝胶与GF蒸发水速率对比；(D) 3D螺旋状石墨烯气凝胶与GF在25 wt%盐水中连续48h脱盐试验的蒸发速率对比；(E) 3D螺旋状石墨烯气凝胶连续脱盐实验的照片；3D螺旋状石墨烯气凝胶在连续48小时脱盐实验后的俯视图(F)和水/盐完全分离图片(H)；3D螺旋状石墨烯气凝胶与其他已报道的太阳能蒸发器的蒸发性能(G)和盐收集性能(I)的比较。

图4. 3D螺旋状石墨烯气凝胶蒸发过程的盐浓度(A)和流体速度(B)的COMSOL模拟；(C) 3D螺旋状石墨烯气凝胶定向结晶示意图；(D) 3D螺旋状石墨烯气凝胶在连续48小时脱盐过程中的照片；(E) 3D螺旋状石墨烯气凝胶具有高速蒸发的4个因素：①能量回收；②三维供水；③大结晶面积；④有效蒸发面积增加。(F) 3D螺旋状石墨烯气凝胶表面盐层照片及其红外热成像；(G) 3D螺旋状石墨烯气凝胶周围掉落盐的照片及其红外热成像。

图5. (A) 3D螺旋状石墨烯气凝胶在25 wt%的盐水中连续96h脱盐实验的蒸发速率。顶部和底部的照片分别是两个连续48小时的循环脱盐实验的图片。(B) 基于3D螺旋状石墨烯气凝胶构建淡水收集装置用于室外实验；(C) 室外实验的环境条件；(D) 3D螺旋状石墨烯气凝胶的产水性能与其他文献的对比；(E) 脱盐前后Na⁺的浓度对比；(F) 真实海水脱盐前后四种主要离子浓度的对比。

文章信息：

Meichun Ding, Demin Zhao, Panpan Feng, Baolei Wang, Zhenying Duan, Rui Wei, Yuxi Zhao, Chen-Yang Liu, Chenwei Li*, Highly efficient three‐dimensional solar evaporator for zero liquid discharge desalination of high‐salinity brine, Carbon Energy. 2024;e548.

全文链接：https://doi.org/10.1002/cey2.548

作者简介：

丁美春，山东第一医科大学化学与制药工程学院副教授。2015年7月获中国科学院化学研究所博士学位，师从张军研究员。2021年9月加入山东第一医科大学，入驻济南校区医学科技创新中心，并加入“石墨烯功能复合材料”研究团队。研究方向为石墨烯复合材料在医疗废水处理等方面的应用、纤维素基水凝胶的制备及生物医用研究。以第一作者或通讯作者在Advanced Science、Carbon Energy、Carbohydrate Polymers、Cellulose等期刊发表SCI高水平论文13篇，授权发明专利2项。

李晨蔚，山东第一医科大学化学与制药工程学院教授/博士生导师，泰山学者青年专家，济南C类人才（省级领军人才）。2016年博士毕业于中科院化学所。2021年加入山东第一医科大学，入驻济南校区医学科技创新中心，并组建“石墨烯复合功能材料”研究团队。目前从事主要研究高力学性能石墨烯气凝胶的制备及其在太阳能海水淡化、医疗废水处理、储能、电催化、生物医用等领域的应用。近年来，以第一作者和通讯作者在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Advanced Science等国际知名期刊上发表SCI论文30余篇，并主持多项重要科研项目。目前担任山东省国际人才交流协会医学人才分会委员、Carbon Energy、Exploration、Nano Materials Science等期刊的青年编委。团队长期招聘副教授、博士后，有意者可将简历发至邮箱：lichenwei@iccas.ac.cn。