全球人口的急劇增長，使得用水量不斷增加，同時世界范圍內的水污染日益嚴重，許多可利用的淡水資源遭到破壞。日益嚴重的淡水短缺現象已構成全球性難題，嚴重阻礙了人類文明的發展。近年來，太陽能光熱海水淡化技術被公認為一種綠色清潔的水凈化方式，有望實現低成本、低污染的淡水資源供給。近期，東華大學的研究團隊以西瓜果肉為原料制備了一種三維碳氣凝膠，可以作為太陽能海水淡化的有效光熱材料。

據預測，到2025年，超過50%的國家將面臨淡水危機；到2050年，世界上75%的人口將面臨水資源短缺。太陽能驅動的海水蒸發僅需要太陽光和海水就能夠生產淡水，是緩解水資源短缺的最理想策略之一。

太陽能海水淡化技術的關鍵是開發高性能的光熱蒸發材料。然而，長時間蒸發后，光熱材料的蒸發面往往會有大量海鹽析出，形成的鹽層會反射陽光和阻擋蒸汽逸出，導致蒸發速率降低。為解決這一問題，目前已經開發了多種策略，包括物理去除、加速溶解、裝置設計、靜電排斥等，但其實際應用仍受到材料成本高和蒸發率低的阻礙。

陳志鋼教授（左），張麗莎教授（右）

為了解決以上問題，東華大學陳志鋼教授、張麗莎教授等研究人員通過西瓜果肉的水熱-碳化/冷凍干燥/碳化處理制備了具有分級孔隙的三維碳氣凝膠（CA）。CA由卷曲碳薄片（厚度約2μm）和大孔（尺寸200-400μm）組成，源自植物細胞的碳化。更加值得一提的是，大量約200nm的納米粒子位于這些薄片上，伴隨著尺寸為200-400 nm的納米孔的形成。這些分層的宏觀/納米孔可以充當“光阱”，賦予250-2500nm范圍內的廣泛光吸收，太陽能吸收效率達93%，光熱轉化率高。

圖源：材料分析與應用

此外，1m^2的CA蒸發器成本不超過16.43美元，低于或與其他蒸發器相當。此外，將CA插入環狀聚苯乙烯泡沫中，即可構建出一個可以漂浮在海水上的三維蒸發器。氣凝膠的層次結構和親水性促進了強大的多孔結構的作用力，從而有效地輸送海水。CA的低導熱率有效地抑制了散裝水的熱量損失。在模擬太陽光（1kWm-2）的照射下，蒸發器的蒸發率高達2.32kgm-2h-1并長期穩定。因此，CA不僅能作為太陽能海水淡化的有效光熱材料，也為開發其他生物質衍生蒸發器提供了一些思路。近期，此項成果以名為“Watermelon flesh-derived carbon aerogel with hierarchical porous structure for interfacial solar steam generation”的論文發表于RRL Solar期刊。

陳志鋼教授團隊此前已在太陽能海水淡化蒸發器領域取得了一系列成果。2021年，團隊報道了一種受向日葵啟發的，基于分層聚丙烯腈 硫化銅（PAN CuS）織物的向日蒸發器。在該向日蒸發器中，海水可以在兩個光熱織物表面蒸發，從而具有更大的表面積和高蒸發率。此外，傾斜的織物能夠有效地轉移和富集海水中的溶質，從而避免織物上的固體鹽結晶。可變的織物傾斜角能夠在寬入射角范圍（從-90°到+90°）內最大程度地捕獲傾斜的太陽光，從而防止蒸發減少，減少比率顯著改進了83.9%。該研究以題為“Hierarchical Photothermal Fabrics with Low Evaporation Enthalpy as Heliotropic Evaporators for Efficient,Continuous,Salt-Free Desalination”的論文發表在ACS nano。

2022年初，陳志鋼和張麗莎教授團隊利用PEDOT:PSS兼作聚電解質和光熱轉換材料，再以聚乙烯醇（PVA）為骨架，制備了一種陰離子型聚電解質光熱水凝膠（APH）。在模擬太陽光（1.0 kW m-2）的照射下，APH的蒸發速率高達2.5 kg m-2 h-1，海水蒸發效率為90.7%。重要的是，APH中的陰離子基團（例如SO3-）能排斥海水中的陰離子（例如Cl-），有效避免了在蒸發界面析鹽，便于長期高效地蒸發海水。該工作以“Polyelectrolyte-based photothermal hydrogel with low evaporation enthalpy for solar-driven salt-tolerant desalination”為題發表在國際知名期刊Chemical Engineering Journal。

過去的幾年中，該團隊針對海水淡化中的海鹽積累與析出等問題，發展了柔性可清洗的光熱蒸發織物（ACS Appl.Mater.Interfaces,2019;Desalination,2019），不析鹽的光熱織物基懸掛型蒸發系統（Adv.Funct.Mater.2019）、向光型蒸發系統（(ACS Nano,2021）和垂直對稱的可翻轉蒸發系統（Desalination,2021），為太陽能海水淡化技術的實際應用打下基礎。