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  近日，上海交通大學趙斌元副教授課題組與倫敦城市大學喬治丹尼斯助理教授吳衛平博士課題組、牛津大學材料系Robert Bradley教授合作，在清潔能源海水淡化方面取得了重要進展，在《先進功能材料》（《Advanced Functional Materials》）上發表相關論文，發明了以地質聚合物和生物質介孔碳復合材料為基礎的太陽能風能海水淡化裝置。

  隨著日益增長的需求和氣候環境的變化，全球淡水資源目前面臨巨大的壓力，而且這種趨勢日益加劇。盡管水處理技術得到了較大的發展，但海水淡化仍是目前可提供的最有效的長期解決方案。目前，反滲透膜和蒸汽蒸發是海水淡化中最常用的兩種技術，但是耗能大，成本高，對于很多國家和地區都是較重的經濟負擔。

  最近，利用太陽能進行海水淡化的技術被多次證明是一種新穎、清潔且可持續再生的方法，它有效的利用了低品質能源。太陽能海水淡化技術，最大的挑戰是開發一種光熱轉化效率高，易于制備，可以實現大面積生產且廉價的新材料。將太陽能轉化為可利用的高效熱能，并可以實現規模化以解決實際問題。

圖1. 地質聚合物介孔碳復合結構用于光熱海水蒸發設計示意圖

  上海交通大學趙斌元副教授課題組與合作方，他們共同研制出了以地質聚合物和生物質介孔碳復合材料為基礎的太陽能風能海水淡化裝置。其核心是利用大孔結構的地質聚合物進行水傳導，利用生物質介孔碳作為吸收太陽能，通過這兩種環保材料的組合，形成了結構和外形可控，且具有良好的機械強度，可進行機械加工的材料形成光熱蒸發裝置。在一個標準太陽光照射下，轉化效率為84.97%，每平方米每小時可獲得1.58升淡水。

圖2. 掃描電子顯微鏡SEM和透射電鏡TEM照片

  生物質多孔碳由生物質秸稈制成，可制備成成型結構，具有35 MPa的抗壓強度，抗彎強度14 MPa，比表面積約470 m2/g, 孔尺寸3 nm - 5 nm，在超寬太陽光譜（400 nm - 2500 nm）范圍內具有較高的光吸收效率（平均92%-95%），這保證了較高的能量傳遞效率。地質聚合物孔徑約10 um - 20 μm，親水性良好，利用毛細作用可以將底部的水快速傳輸到頂部熱區，導熱系數低（0.15-0.48 W/mK），有效的實現了水的傳輸及熱量的管理。

圖3. 光熱蒸發的溫度場分布和風增強的光熱蒸發效果圖

  此外，文章還研究了利用微弱的風能，在蒸發層上方快速形成蒸汽負壓，加速水蒸氣的蒸發和逃逸。在1個太陽能，3m/s的風速下，蒸發效果顯著增強，每平方米每小時可以實現7.55升淡水。所采用的材料具有成本低廉，性能穩定，環境友好等優勢，可持續、經濟、大規模地生產清潔水。

  該項研究發表題為《Low Cost, Robust, Environmentally Friendly Geopolymer-Mesoporous Carbon Composites for Efficient Solar Powered Steam Generation》的論文，獲得了審稿人高度評價，并被《先進功能材料》選為封面，課題組博士生劉豐華為論文的第一作者。該項目獲得了英國創新署(Innovate UK, Grant 104013)和上海市科委(STCSM, Grant 17230732700)的資助。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201803266

  封面鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201870332