山東第一醫科大學李晨蔚團隊Advanced Science：梯度石墨烯氣凝膠用于高效太陽能蒸發和零液體排放脫鹽

01??【科學背景】

隨著世界人口的增長和現代工農業的發展，淡水資源短缺已成為最嚴重的全球性問題之一。雖然近75%的地球表面被水覆蓋，但其中約97%是海水。盡管傳統的海水淡化技術成為解決淡水短缺的可行方法，但是海水淡化廠的廢鹽水大多直接排入鄰近的湖泊或海洋，嚴重影響了生態環境。近年來，太陽能驅動界面蒸發技術因其取之不盡、用之不竭的太陽能和海水供應，以及通過將熱能限制在水--空氣界面有效地提高蒸發效率的特點，被廣泛認為是最有前景的淡水生產技術之一。與傳統的海水淡化技術不同，太陽能驅動界面蒸發技術可以最大限度地減少處理高濃度鹽水時的碳排放。然而，在太陽能海水淡化過程中，由于水蒸汽的快速產生導致了局部鹽水濃度顯著增加，最終導致了鹽結晶逐漸沉積在太陽能蒸發器的表面。鹽結晶不僅嚴重影響了太陽光的吸收，降低了光熱轉換效率，而且還阻礙了鹽水的供應，最終導致蒸發性能顯著下降。因此，設計一種能夠高效、連續處理高濃度鹽水，并實現零液體排放脫鹽的太陽能蒸發器是一項重大挑戰。

02??【成果簡介】

針對以上挑戰，山東第一醫科大學李晨蔚教授團隊首次提出一種創新策略，通過簡單且環保的光還原和常壓干燥的方法，制備了具有三維梯度石墨烯螺旋海綿的氣凝膠。這種氣凝膠在太陽能蒸發高濃度鹽水方面展現出卓越的性能，并成功實現了零液體排放脫鹽。該氣凝膠的螺旋結構顯著提高了能量回收效率，而其梯度網絡結構則促進了鹽水的徑向輸送和定向鹽結晶。這兩種結構的完美匹配，使得氣凝膠在太陽能蒸發（6.5 kg m^-2?h^-1）、鹽收集（1.5 kg m^-2?h^-1）、零液體排放脫鹽，以及長期耐久性（在20wt%鹽水中連續蒸發144小時）方面均表現出色。在室外實驗中，該氣凝膠表現出3.1 kg m^-2?h^-1的超高產水速率，這一性能超過目前報道的其他太陽能脫鹽裝置。此外，研究團隊還展示了一種基于該氣凝膠的連續脫鹽灌溉系統，該系統在偏遠地區具有巨大的應用潛力，有望實現可持續的農業灌溉。這項工作不僅展示了一種新穎的太陽能蒸發器設計，并為設計耐鹽高效的下一代太陽能海水淡化裝置提供了重要的科學依據。

03 ?【文章簡介】

近日，該研究成果于山東第一醫科大學李晨蔚教授團隊以?“Gradient Graphene Spiral Sponges for Efficient Solar Evaporation and Zero Liquid Discharge Desalination with Directional Salt Crystallization”為題發表在國際知名學術期刊《Advanced Science》上。山東第一醫科大學2022級碩士研究生趙德民為本文第一作者，李晨蔚教授與丁美春副教授為共同通訊作者，山東第一醫科大學為本文第一完成單位。

04 ?【圖文解析】

圖1.?(a) 三維梯度石墨烯螺旋氣凝膠(GGS) 作為定向結晶蒸發器的示意圖。螺旋結構提高了能量回收效率，而梯度石墨烯網絡實現了鹽水徑向輸送和定向鹽結晶。(b) 梯度石墨烯網絡的SEM圖像。梯度石墨烯網絡的孔徑從中心的150 μm逐漸減小到邊緣的20 μm。

圖2.?(a) PMF-(2-10)的制備原理圖以及MF和PMF-(2-10)的SEM圖像。(b) GF和PGF-(2-10)的制備過程原理圖。將MF 和 PMF-(2-10) 通過三個連續的步驟轉化為GF和PGF-(2-10)：噴涂、空氣干燥和太陽光還原。(c) GGS的分步制備步驟及GF和PGF-(2-10)的SEM圖像。

圖3. (a)?石墨烯氣凝膠表面鹽結晶示意圖。(b)?在一個太陽光強照射下，石墨烯氣凝膠在20 wt%的鹽水中進行48小時脫鹽試驗時的照片。(c) 梯度石墨烯氣凝膠定向鹽結晶的示意圖。(d)在20 wt%的鹽水中，梯度石墨烯氣凝膠進行48小時脫鹽試驗時的照片。(e) GGS的定向鹽結晶和能量回收示意圖。(f)?GGS進行 48 小時脫鹽試驗時的照片。(g)梯度石墨烯氣凝膠和 GGS在 20 wt%的鹽水中的質量變化隨時間的變化。GGS在 20wt%鹽水中的 (h)?流體速度和?(i)?鹽度分布的數值模擬。

圖4. (a) 2D 石墨烯氣凝膠和3D GGS的蒸發過程示意圖。(b)?在1個太陽光強照射下，GGS (4、6和8 cm)在20?wt%鹽水中的質量隨時間變化。(c)GGS海綿(4、6和8 cm)連續脫鹽72 小時的蒸發速率。(d)?GGS和其他已報道的太陽能脫鹽裝置的蒸發速率、蒸發鹽水濃度和連續蒸發時間的比較。(e) GGS外表面鹽層紅外輻射熱成像圖。(f) GGS與其他太陽能脫鹽裝置的集鹽速率比較。(g) GGS連續脫鹽72小時試驗時的照片。

圖5.?(a)?和?(b)?分別是基于GGS的自制淡水收集裝置在室外太陽能脫鹽之前和之后的照片。(c)從上午9：00至下午5：00室外太陽能脫鹽裝置收集的淡水照片。(d)?室外太陽能脫鹽試驗時的環境條件(溫度和太陽光照強度)。(e) 3月27日至4月2日室外太陽能脫鹽試驗期間的淡水產量和環境條件(平均溫度和相對濕度)。(f)?基于GGS的室外太陽能脫鹽裝置的淡水生產性能，并與近期文獻報道進行比較。(g)?太陽能脫鹽前后Na^+?的濃度。(h)?真實海水在太陽能脫鹽前后的主要離子濃度。(i) GGS在20?wt%鹽水中連續脫鹽144小時的蒸發速率。第一次循環試驗結束收集鹽層后，GGS可恢復第二輪連續72小時試驗。(j)?自制的連續脫鹽灌溉系統裝置。(k)?分別用20 wt%的鹽水、凈化水和自來水灌溉15天后的小麥生長情況的照片。(l)?連續脫鹽灌溉系統的潛在應用簡圖。

文章信息：

Demin Zhao, Meichun Ding*, Tianhao Lin, Zhenying Duan, Rui Wei, Panpan Feng, Jiahui Yu, Chen-Yang Liu, Chenwei Li*, Gradient Graphene Spiral Sponges for Efficient Solar Evaporation and Zero Liquid Discharge Desalination with Directional Salt Crystallization, Advanced Science, 2024, 2400310.

全文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202400310

作者簡介：

李晨蔚，山東第一醫科大學化學與制藥工程學院教授/博士生導師，泰山學者青年專家，濟南C類人才（省級領軍人才）。2016年博士畢業于中科院化學所。2021年加入山東第一醫科大學，入駐濟南校區醫學科技創新中心，并組建“石墨烯復合功能材料”研究團隊。目前從事主要研究高力學性能石墨烯氣凝膠的制備及其在太陽能海水淡化、醫療廢水處理、儲能、電催化、生物醫用等領域的應用。近年來，以第一作者和通訊作者在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Advanced Science等國際知名期刊上發表SCI論文30余篇，并主持多項重要科研項目。目前擔任山東省國際人才交流協會醫學人才分會委員、Exploration、Nano Materials Science等期刊的青年編委。團隊長期招聘青年教師、博士后，有意者可將簡歷發至郵箱：lichenwei@iccas.ac.cn。

丁美春，山東第一醫科大學化學與制藥工程學院副教授。2015年7月獲中國科學院化學研究所博士學位，導師為張軍研究員。2015年8月至2017年9月于青島科技大學開展博士后研究工作。2021年9月加入山東第一醫科大學。研究方向為石墨烯復合材料的制備及功能化研究、納米纖維素凝膠的制備及生物醫用研究。在國內外期刊發表研究論文20余篇，以第一作者或通訊作者在Advanced Science、Carbon Energy、Carbohydrate Polymers、Cellulose、Solar RRL等期刊發表SCI高水平論文12篇。