蜂窝结构中的自适应热控制技术，用于实现可持续的海水淡化及吸附锂的回收

《Desalination》：Self-adaptive heat control in honeycomb matrices for sustainable desalination and adsorptive lithium recovery

高效水蒸发电解质分离系统设计与性能优化|太阳能驱动蒸发器|锂离子选择性吸附|多孔复合结构|超咸卤水处理

　　

张海峰|李志坚|周天翔|彭龙|王明宇|林良友|王先宝

教育部功能材料绿色制备与应用重点实验室，由湖北省与教育部共建的先进有机化学材料协同创新中心，湖北大学新能源与电气工程学院，武汉，430062，中国

摘要

太阳能驱动的界面蒸发在海水淡化和资源回收方面具有巨大潜力，但传统蒸发器常常面临空间热管理效率低下和Li⁺/Mg²⁺选择性不足的问题。为了解决这一难题，我们开发了一种蜂窝状Wood-Gel蒸发器（WGE），该蒸发器具有分层的孔隙绝缘-水凝胶结构。这种对称的矩阵利用径向排列的通道建立从边缘到中心的热传递路径，有效均匀了表面温度，同时将表观蒸发焓降至1147?J?g^?1。这种热调节能力使得WGE在纯水中的蒸发速率达到3.81?kg?m^?2?h^?1，在高盐度盐水中达到2.73?kg?m^?2?h^?1。除了热效率外，特殊的通道传输还增强了离子向富硫结合位点的移动，从而优先捕获Li⁺而非Mg²⁺，实现了85.4的分离系数。这种结构耦合策略为同时生产淡水和锂提供了一种先进的方法。

引言

淡水资源的日益稀缺和对关键金属的迫切需求已成为相互关联的全球性挑战，特别是考虑到到2050年世界人口的一半以上将面临水资源短缺，而地球上超过97%的水资源仍存在于海水中或高盐度环境中[1]。与此同时，电动交通和可再生能源存储的快速发展推动了锂需求的空前增长[2]。虽然盐湖卤水是这种重要金属的潜在来源，但由于Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺和K⁺等竞争离子的存在，尤其是当Mg²⁺/Li⁺摩尔比超过6时[3],[4]，选择性地回收Li⁺遇到了重大障碍，这促使人们开发在高盐度介质中的耦合水离子管理策略。从溶剂萃取到电化学技术等各种传统方法在这些高盐度环境中常常表现不佳，通常受到动力学缓慢和可扩展性有限的限制[5]。

太阳能驱动的光热蒸发已成为解决淡水短缺和锂回收问题的有效途径[6]。通过局部化太阳能量到热能的转换，这些材料能够产生显著的界面温度梯度，加速蒸发过程，从而通过后续的冷凝或膜分离收集淡水[7]。这种方法相对于能耗较高的热蒸馏和反渗透具有固有的优势，并且即使在高盐度或受污染的环境中也能保持稳定的性能。然而，盐分积累和表面结垢仍然是界面蒸发器的关键耐久性瓶颈，尤其是在类似膜或平面结构中。受生物启发的两性离子界面化学已被用于减轻盐分沉积并保持界面稳定性[8]。集成离子选择性膜或功能性吸附剂进一步扩展了其应用范围，实现了精确的离子分离和淡化[9]。最近的功能化分离设计表明，将蒸发和吸附功能分离到不同区域可以在太阳能照射下同时稳定盐水蒸发并增强Li⁺的捕获，为淡水收集和选择性Li⁺提取提供了一种实用的方法[10]。

尽管如此，许多当前的蒸发器仍然依赖于被动的光热层和低导电性的基底，缺乏空间热调节能力[11]。这种结构缺陷往往导致表面温度不均匀和有效蒸发面积减少，最终影响蒸汽通量和分离效率[12],[13]。尽管最近对内部对流和表面改性进行了探索[14]，但在复杂的多离子盐水中实现持久的热管理仍然是一个严峻的挑战[15]。受生物启发的多维结构最近被研究用于通过结合结构光捕获、水凝胶驱动的水传输和温度梯度驱动的界面流动来协调高蒸发速率和持续的盐抵抗能力，从而减轻高盐度操作下的表面盐分积累[16]。同时，虽然超疏水表面可以减少润湿引起的结垢，但其长期实际应用通常受到耐久性、机械强度和环境稳定性的限制，这突显了需要本质上稳定且受传输控制的盐管理策略[17]。

合理的材料设计对于优化光热转换和离子选择性至关重要。在这里，MXene提供了高导电性和可调的化学性质以吸收光能，而多巴胺（PDA）涂层确保了分散性和水凝胶的牢固结合[18],[19]。这种复合材料还通过聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPAm）水凝胶得到进一步增强，这些水凝胶提供了必要的极性基团，有助于在操作过程中维持网络稳定性[20]。值得注意的是，最近的研究提出了一种基于水凝胶载体吸附响应性膨胀的机制，这种膨胀可以在太阳能驱动的Li⁺提取过程中促进吸附位点的暴露和调节内部孔隙[21]。这一概念为设计耦合的蒸发-吸附系统提供了灵感[21]。为了赋予特定功能，引入PtS₂不仅拓宽了光吸收光谱并提高了耐久性，还引入了适合选择性捕获Li⁺的富硫结合位点[22],[23]。因此，所得的PtS₂–MXene@PDA/PNIPAm复合材料作为一种复杂的功能性架构，将光热蒸汽生成与靶向锂提取无缝结合。

将材料优化转化为结构热控制，我们开发了一种具有孔隙绝缘-水凝胶结构的对称蜂窝状Wood-Gel蒸发器。其核心是一个轻质木质支架，其中心对称的通道内填充了光热PtS₂–MXene@PDA/PNIPAm水凝胶，而γ-Al₂O₃在孔壁和侧面提供了关键的绝缘层。这种独特的几何结构通过耦合垂直和横向通道建立了从边缘到中心的热传递路径，从而均匀了界面温度并最大化了能量利用。除了热管理之外，垂直排列的孔隙还促进了离子传输，增强了Li⁺向硫活性位点的移动，同时有效抑制了Mg²⁺的干扰。利用这些结构协同作用，WGE实现了3.81?kg?m^?2?h^{?1+吸附。最终，这种结构调节策略结合了热传递、蒸发和离子分离，实现了从复杂盐湖卤水中高效提取淡水和锂。}

材料

碳化钛铝（Ti₃AlC₂）、氟化锂（LiF）、盐酸（HCl）、盐酸多巴胺、甜菜碱、六水合氯铂酸（H₂PtCl₆·6H₂O）、硼氢化钠（NaBH₄）、硫脲、N-异丙基丙烯酰胺（NIPAm）、N,N-亚甲基双丙烯酰胺（BIS）、2-羟基-2-甲基-1-苯丙酮（光引发剂）、二甲基亚砜（DMSO）、γ-氧化铝（γ-Al₂O₃）、轻木、异丙醇（IPA）、丙酮。用于户外测试的盐水来自柴达木盆地的东台吉纳尔湖

对称矩阵蜂窝状Wood-Gel蒸发器（WGE）的制备和结构表征

WGE的结构以一个对称的蜂窝矩阵为中心，该矩阵在3?cm?×?3?cm?×?4?cm的木质基底的顶部和底部钻有九个中心对称的孔。这些孔直径为0.5?cm，深度为1.5?cm，设计为在木材内部终止而不会穿透整个块体。孔和水平表面填充了PtS₂-MXene@PDA/PNIPAm水凝胶，而上部孔壁和侧面则选择性地涂覆了γ-Al₂O₃以抑制

结论

在这项工作中，我们开发了一种蜂窝状Wood-Gel蒸发器，它结合了一个对称的结构矩阵和分层的孔隙绝缘-水凝胶结构，实现了自适应的热调节，从而同时进行水净化和锂提取。蜂窝状通道促进了高效的从边缘到中心的热传递路径，均匀了界面温度并抑制了盐结晶，使得在纯水中的蒸发速率达到了3.81?kg?m^?2?h^?1

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了中国湖北省科学技术部门的财政支持（编号：2024BAB096）。