利用自然界的霧水和海水獲得淡水資源是解決淡水匮乏的有效途徑之一，但霧水的捕集和海水的淡化是兩種不同淡水獲取策略。霧水的形成一般發生在溫差較大的夜間，此時的溫度較低，相對濕度較高；而采用太陽能海水界面蒸發過程（SVG）這種高效、低成本的技術實現海水淡化，需要在日照充足的白天進行。近年來，研究人員設計了各式各樣的霧水收集器和太陽能蒸汽發生器，但存在材料制備方法複雜、功能表現單一等問題。如何協同霧水收集和太陽能海水蒸發，以實現全天的淡水獲取，最大限度地提高日産水量，具有重要的研究意義。近日， 重慶大學化學化工學院周才龍博士與新加坡國立大學陳瑞深（Tan Swee Ching）助理教授聯合報道了一種利用模板法制備“微針多孔Janus膜”霧水收集器+“一體化微針膜”太陽能蒸汽發生器，從而實現了全天候連續産水和日産水量最大化（圖1）。 該工作以“High-performance freshwater harvesting system bycoupling solar desalination and fog collection with hierarchical porousmicroneedle arrays”爲題，發表在最新一期《Advanced Functional Materials》。該文的第一作者爲重慶大學碩士研究生周威。
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202113264
本文亮點
01
- 利用同一微針模具制備兩種不同的微針複合多孔膜，並巧妙調控其參數；
- 將Janus膜與微針相結合制備出MN-Janus複合多孔膜有助于提升霧滴的捕集、轉運和吸收速度；
- 通過將PEGDA/SA/CNT凝膠溶液澆鑄在微針模板中，經冷凍幹燥後制備出多孔的微針陣列MN-PSCs有助于提升光吸收，降低水分蒸發焓，提升蒸發速率。
圖1 多孔微針膜用于霧水收集和太陽能界面海水淡化過程示意圖。
圖2 MN-Janus 的制備過程及其微觀形貌 （a) 自上而下的光固化工藝制備MN-Janus多孔膜(b,c) 微針陰膜以及光掩模板的實物圖（d-i) MN-HB/HL的光學圖片以及SEM圖。
圖3 MN-Janus 膜的霧水收集過程。（a，d) 小液滴在MN-HB/HL和MN-HL/HB膜上的移動，浸潤和吸收過程。（e-g）膜基底的潤濕性、微針高度以及間距對霧水收集效率的影響。（h,i) 實驗室模擬船帆上的微針捕集霧水過程。
圖4 MN-PSCs膜的制備過程以及性能表征。（a，b) PEGDA/SA/CNT混合凝膠經過紫外光固化、脫膜、冷凍幹燥後形成多孔的微針結構。(c1-c4) MN-PSC的多孔表面形貌分析。(d）MN-PSC 0-2% 的吸水速率對比。（e) PEGDA, SA, CNT等原材料和PEGDA/SA/CNT凝膠的紅外光譜。（f) MN-PSCs的紫外-可見-近紅外光譜吸收，藍色陰影區域表示歸一化太陽光譜。（g) MN-PSCs的表面溫度隨時間變化以及MN-PSCs樣品在一個太陽照射下的紅外熱像圖。(h, i) 純水和MN-PSCs凝膠中水的DSC測試。
圖 5 MN-PSCs膜的海水淡化過程。(a，b) MN-PSCs在室內的海水蒸發過程示意圖，金字塔形的蒸發裝置在一個太陽光的光照下，産生的蒸汽在蒸發器的內壁上冷凝，並在底部收集。（d,e）在一個太陽輻射下的封閉系統中，MN-PSCs在1小時內的蒸發速率，長期浸泡在鹽水中的MN-PSC1%的水蒸發率，插圖是第1天和12天的質量改變情況。（f) MN-PSC1%凝膠對結晶鹽的自清潔特性。（g, h) MN-PSC1%進行海水淡化前後的三種海水的鹽度變化, 海水蒸發前後四種主要離子的濃度變化情況。(i, j) 戶外海水蒸發實驗以及相關天氣數據記錄。（k) 種子發芽實驗證明淡化後水的無毒性。
全文總結
02
本文利用聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）水凝膠作爲微針模具中的填充物，通過自上而下的光固化微成型工藝制備出複合式微針多孔膜（MN-Janus）。進一步摻入碳納米管（CNT）等光吸收材料後，冷凍幹燥處理可以得到一體式微針多孔膜（MN-PSCs）。結果顯示，MN-Janus微針陣列可用于高效的霧水捕集，顯示出30.5 kg m-2-h-1的超高霧水收集效率, MN-PSCs可用于太陽能驅動的海水蒸發，其蒸發速率高達2.46 kg m-2-h-1。如果以6小時的太陽能海水淡化和6小時的夜間霧水收集作爲一個有效的水收集周期，則兩種結構每天可實現約 200 kg m-2的産水量。綜上，這項工作顯示出基于凝膠的微針陣列結構用于淡水收集的巨大潛力，爲偏遠幹旱地區以及沿海地區的生活用水問題提供一個新見解。
通訊作者簡介
03
周才龍，博士，重慶大學化學化工學院講師。2009年本科畢業于大連理工大學，2018年在華南理工大學獲化學工程博士學位，同年加入重慶大學化學化工學院。主持了國家自然科學青年基金、重慶市自然科學基金面上項目、四川省教育廳科技項目、教育部重點實驗室開放基金等課題。主要研究方向爲膜分離、基于仿生特殊潤濕性及微-納米結構界面的霧氣捕集和海水淡化過程。近年來，以第一作者和通訊作者在Adv. Funct. Mater., Chem. Eng. J., ACS Appl. Mater. Interfaces, J. Hazard. Mater., Chem. Commun., 化工學報等學術期刊上發表論文50余篇，多篇入選ESI高被引論文和熱點論文。
陳瑞深（Tan Swee Ching)，新加坡國立大學助理教授，本科畢業于新加坡國立大學物理學院，博士畢業于劍橋大學電子工程學院，之後前往美國麻省理工學院進行博士後研究，後任職于新加坡國立大學材料科學與工程學院。主要從事大氣水收集、海水淡化以及基于蛋白質的太陽能電池等方面的研究。近年來，以第一作者和通訊作者在Joule, Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Sci. Adv., Nat. Commun., Chem, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Sci., ACS Nano, Nano Energy 等學術期刊上發表論文近50篇，並獲得多項發明專利。其研究成果曾被 Forbes, Reuters, MIT Technology Review, BBC, Business Insider, Eco-Business, South China Morning Post, Daily Mail, Science Daily,Hong Kong TVB 等報道。2019年創辦公司Ultra Dry Pte. Ltd.
課題組主頁：
http://www.dmse.nus.edu.sg/SweeChingGroup/index.html
第一作者簡介
04
周威，重慶大學化學化工學院研究生，師從周才龍老師，合作導師 Tan Swee Ching 助理教授。目前主要從事仿生特殊潤濕性材料的設計及其在霧水捕集和太陽能界面海水蒸發領域的應用研究。迄今以第一作者在 Adv.Funct. Mater.，J. Environ. Chem. Eng.，化工學報上發表SCI論文3篇，申請重慶市研究生科研訓練項目1項，獲國家級研究生獎學金1次，廣州盛美企業獎學金1次，重慶大學A等獎學金2次。“科研之路好比馬拉松賽道，遙遠且曲折”。
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