朱嘉课题组： 受鱼群效应启发的自聚集、自清洁的太阳能水盐分离器件

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随着农业和工业的发展，大量的淡水资源被消耗或污染，水危机成为全球面临的最严峻的挑战之一，水处理技术受到广泛关注。对于水处理技术，实现水和溶质的完全分离（zero liquid discharge，ZLD），以最大程度的回收资源是终极目标。然而目前一些商用的水盐分离技术，如浓缩/结晶法需消耗巨大电能，且产生大量的碳排放。因此亟需寻找高效、环境友好的水盐分离技术。
       近年来，基于太阳能界面光热蒸发的水处理技术受到广泛关注。其可通过吸收太阳能并转化为热能局域在水-气界面，产生高效水蒸发，实现水处理过程。该技术具有低碳环保，无需额外能量输入的优点，在水盐分离领域展现出巨大潜力。然而，在基于界面光热蒸发的水盐分离过程中，盐浓度达到饱和，器件结盐结垢问题严重。这会严重遮挡太阳光的吸收、阻碍水的充足供应，使得光热转化效率衰减迅速，甚至导致器件的失效。为克服上述问题，该领域科学家们已发展了一些减缓盐析出、定点盐析出的材料/结构设计，但大面积、可自清洁的水盐分离过程仍难以实现。
        在本研究工作中，研究者们受鱼类易聚集成群、协同联动的特性的启发，设计了一种由聚苯乙烯（EPS）核/氧化石墨烯（GO）壳的光热小球聚集而成的水盐分离器件（图1）。这些漂浮在水面的亲水光热小球可在表面张力水平分力的驱动下加速靠近，并自聚集成热局域的动态系统，有效降低热传导损耗，获得较高的界面光热蒸发效率（图2）。在太阳能水处理过程中，盐颗粒倾向在小球上端蒸发较快的液层内形核、生长。当盐颗粒施加的转矩打破小球的力平衡状态时，小球转动，盐颗粒滑落，从而完成自清洁过程（图3）；同时，相邻小球因表面张力存在相互作用，一球的转动可通过摩擦力触发相邻小球的转动和自清洁行为，从而完成多球联动的自发转动和自清洁过程（图3）。
        这种“类似鱼群”的EPS/GO多球系统，因其自聚集特性，可自组装为大面积水处理器件，并具有联动自清洁的特性，可在一个太阳下处理饱和盐水过程中，实现高于90％的太阳蒸汽转换效率和高达0.39 kg m-2 h-1的产盐速率，从而实现低能耗、低碳排放的水盐的完全分离（ZLD）。

图1. 受鱼群效应启发的自聚集、自清洁的太阳能水盐分离器件。a，鱼类趋向于聚集成群，且鱼群行为通常一致化。b和c，EPS/GO光热小球在水面上可自聚集成热局域的动态系统， 且在太阳能水处理过程中可实现联动的自发旋转和自清洁过程。

图2. 光热小球在表面张力作用下的自聚集过程，及其热局域特性。a，光热小球在水面加速靠近的原理分析图。b-d，小球的加速自聚集过程。e和f，自聚集的光热小球在表面张力下可形成有相互作用力的整体。g和h，自聚集的光热小球系统具有更好的热局域特性。

图3. 光热小球的自发转动和自清洁过程。a和b，光热小球在太阳光和暗场下的红外照片，显示出小球上端液面蒸发较快。c，光热小球自旋转的原理分析图。d，单个小球的自发旋转和自清洁过程。e，多球联动转动过程的力学分析图。f，多球系统自发联动转动和自清洁的照片。g，多球系统的转动行为统计图。

         该研究成果以“A scalable fish-school inspired self-assembled particles system for solar-powered water-solute separation”为题发表于综合性学术期刊《National Science Review》(https://doi.org/10.1093/nsr/nwab065)。南京大学为该论文唯一单位，助理研究员徐凝、18级硕士研究生张浩然为该论文的共同第一作者。本工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省基金、中央高校基本科研业务费专项基金等项目资助。


        文章来源：南京大学
          朱嘉,南京大学教授、博士生导师、“青年973”首席科学家。博士毕业于美国斯坦福大学电子工程系硕士和博士，随后在加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室从事新能源和环境领域的研究。在 Nature Nanotechnology, Nature Materials, Nano Letters, Materials Science and Engineering Report等国际权威学术期刊上发表20余篇论文，他人引用次数超过1000次。研究成果多次被 Science Daily, Nature Nanotechnology, MIT Tech Review等学术期刊、科学杂志和新闻机构作为 “Research Highlights”, “Cover Article”, “News Focus” 等专题报道，产生了广泛的国际影响。受邀在国际会议、世界著名学府和美国能源部做过30多场专题报告，同时是20多个国际学术期刊的特约审稿人。获得多项重要国际和国家级学术奖项包括，美国化学学会无机化学青年科学家奖，美国材料学会研究生金奖，中国政府优秀自费留学生奖等。