當前，人類廣泛受到淡水資源匮乏的困擾。近年來，研究人員通常利用反滲透、電滲析、膜蒸餾等技術從海水中分離淡水以解決水資源匮乏的困擾。然而，這些技術普遍存在高耗能的缺點，使得海水淡化成本居高不下。

最近，太陽能驅動的海水淡化技術得到了較為快速的發展。以太陽能代替化石能源或電能來獲取淡水的技術使得淡化所需的能耗顯著降低。但是，當前關于海水淡化的報道往往過多關注提升海水淡化的速率，而忽視了海水淡化過程中鹽分在蒸發界面濃縮、結晶的情況，蒸發界面累積的鹽分嚴重破壞了其高太陽能吸收特性，這對于持續、高效的太陽能脫鹽是一個巨大的挑戰。因此，蒸發器合理的結構設計至關重要。

    自然界中，蘆葦葉具有平行排列的維管束和疏水的表面。這些平行排列的維管束能夠将光合作用産物運輸到根部，避免光合作用在葉片中的過度累積。疏水性的表面具有防污作用，能夠防止葉片被雨水污染。鄧紅兵/丁彬等人在前期工作基礎上（Advanced Materials, 2020, 32, 1908269），受蘆葦葉生理功能啟發，進一步設計了具有平行排列管道結構和疏水表面的納米纖維氣凝膠（R-NFAs），以實現耐鹽的太陽能海水淡化。

    圖1、(a)傳統太陽能蒸發器的光吸收、水傳輸、蒸汽産生和鹽結晶。(b)蘆葦葉的微觀結構和疏水性。(c)蘆葦葉啟發的納米纖維氣凝膠(R-NFAs)蒸發器的光吸收、水傳輸、蒸汽産生和耐鹽性。

二氧化矽納米纖維膜在高速均質下被粉碎成相互纏結的二氧化矽納米纖維分散體。上述分散體通過冷凍幹燥形成白色的納米纖維氣凝膠。随後将聚吡咯沉積在氣凝膠的表面，并再次冷凍幹燥得到黑色納米纖維氣凝膠(B-NFAs)。最後，将水解後的甲基三甲氧基矽烷負載到氣凝膠的一側，得到具有單側疏水性的R-NFA。

二氧化矽納米纖維被組裝成分層多孔結構。R-NFAs的結構與蘆葦葉的結構相似，可分為三個層次：管道（150-200μm）、管道壁（25-50μm）和狼牙棒狀納米纖維（<1μm）。上述精心設計的仿生結構使得R-NFAs具有多種适宜于太陽能海水淡化的特點。良好的機械性能使R-NFAs可多次被壓縮/回彈。疏水化表面允許水滴停留在氣凝膠表面而不是被吸收。暴露在模拟太陽光下後，在淡水收集系統的冷凝殼上能迅速觀察到大量冷凝淡水，R-NFAs顯示出巨大的海水淡化潛力。

    圖2.(a) R-NFAs制造過程示意圖。(b-d)不同放大倍數的R-NFA的分級多孔結構。(e) R-NFA的壓縮和回彈。(f) R-NFA的光吸收和疏水性。(g) R-NFAs海水淡化冷凝水收集演示系統。

   在進一步的太陽能海水淡化實驗中，盡管B-NFAs的蒸發速率在最初幾分鐘急劇上升并且明顯高于R-NFAs的蒸發速率，但10分鐘後其蒸發速率開始下降，15分鐘後，其蒸發速率就已經低于R-NFAs。運行30分鐘後，B-NFAs的蒸發率僅為原始蒸發率的50%，而R-NFAs的蒸發速率仍然保持穩定。B-NFAs的表面完全被鹽晶體覆蓋，顯著降低了它們的光吸收性能，使其難以保持長期有效蒸發。對于R-NFAs，雖然在蒸發器的側面出現了鹽晶體，但頂部表面和底部親水層仍保持原始狀态，因此蒸發器仍始終維持高效的蒸發速率。

圖3.(a) R-NFA和B-NFAs在鹽水中的蒸發速率。(b,c) R-NFA的耐鹽性和B-NFA的鹽積累。

以上成果以Reed Leaves Inspired Silica Nanofibrous Aerogels with Parallel-Arranged Vessels for Salt-Resistant Solar Desalination為題發表在ACS Nano上。論文的第一作者為88858cc永利官网資源與環境科學院博士生董向陽，東華大學斯陽研究員、88858cc永利官网陳朝吉教授為論文共同作者，論文通訊作者為88858cc永利官网鄧紅兵教授和東華大學丁彬教授。

論文鍊接：https://doi.org/10.1021/acsnano.1c04035