太阳能驱动的界面蒸发被认为是缓解清洁水水资源短缺最有前途的方法之一。同时，卤水中的锂资源由于其丰富的储量被认为是最重要的锂矿之一。吸附法是锂提取过程中最常用的手段之一。一方面，在界面蒸发过程中，因光热材料的光热转化作用，可升高样品表面温度，有望促进锂离子吸附；另一方面，界面蒸发过程中的锂离子吸附能为清洁水收集增加额外的附加价值。因此，充分利用丰富的太阳能，同时实现高效的清洁水收集和锂离子吸附具有重要意义。

近日，中国科学院兰州化学物理研究所张俊平课题组等人报道了一种分离式太阳能蒸发器。该蒸发器由倾斜的n型H₂TiO₃(HTO)改性聚酯(PET)织物和铜基MOF/聚多巴胺/凹凸棒石@铝(Cu-MOF/PDA/ATP@Al)光热片组成。Cu-MOF/PDA/ATP@Al光热片用于高效光吸收和光热转化，PET织物上的HTO可以有效选择性吸附锂离子，并且Cu-MOF/PDA/ATP@Al光热片产生的热量能够促进HTO对锂离子的吸附。基于此，在一个太阳数下，该蒸发器实现了20 wt%的NaCl溶液长期稳定的蒸发(≈1.51 kg m⁻² h⁻¹），较高的锂离子吸附能力（20.09 mg g^-1）和吸附选择性。该文章发表在国际顶级期刊Advanced Functional Materials上。陈凯和李凌霄为本文的共同第一作者。

图1蒸发器同时收集清洁水和锂离子选择性吸附的示意图。

图2 Cu-MOF/PDA/ATP@Al光热片的制备与表征。

该蒸发器的光热层为Cu-MOF/PDA/ATP@Al片。大量Cu-MOF/PDA/ATP微团簇分布在铝片表面，有助于捕获太阳光，降低反射，其光吸收可以达到97%。在一个太阳数照射下，其表面温度可以在240 s内快速升高至96.4 ℃，且循环5次后仍可以保持稳定。

图3 HTO@PET织物的制备与表征。

该蒸发器的水传输层为HTO@PET织物。大量的HTO/磷酸铝 (AP)纳米颗粒在PET织物表面相互连接，形成分层微/纳米结构。负载HTO之后PET织物的静态水接触角仍然为0°。

图4 蒸发器的蒸发和长期耐盐性能。

在20 wt% NaCl溶液，一个太阳数照射下，该蒸发器在120小时持续蒸发和持续7天（每天7小时）的蒸发过程中，蒸发速率维持在1.51 kg m^-2 h^-1左右，并且没有盐分析出，展现出了优异的耐盐性能。这主要得益于HTO@PET织物通过毛细作用力和重力协同作用提供的充分水传输。

图5 蒸发器对锂离子的吸附性能。

对锂离子的吸附性能也进行了研究，发现锂离子的吸附容量随着太阳光强度的逐渐增加而增加，这主要得益于HTO@PET织物的表面温度随着太阳光强度逐渐增加而升高，促进了锂离子吸附。在一个太阳数下，HTO@PET织物的吸附容量达到20.09 mg g^-1。其循环5次后，吸附容量仍然可以达到17.92 mg g^-1。并且展现出优异的离子选择性。

图6 户外集水及锂离子吸附性能。

在户外实际条件下，该蒸发器实现了2.46-3.15 kg m^-2 d^-1的水收集速率和9.02-13.25 mg g^-1的锂离子吸附容量。展现出了巨大的应用潜力。

总结：本研究报道了一种太阳能蒸发器设计，将太阳能界面蒸发与锂离子吸附结合，并通过充分利用太阳能实现两者互补。太阳能界面蒸发过程中的光热效应促进了锂离子的吸附，无需额外的能量输入。同时，界面蒸发过程中的锂离子吸附为界面蒸发提供了高附加值。基于此，蒸发器对浓盐水具有长期稳定的蒸发速率，具有较高的锂离子吸附能力，对真实卤水具有良好的锂离子吸附选择性和良好的循环稳定性。本研究太阳能驱动的界面蒸发为同时获取清洁水和锂离子提供了一种可持续的高价值方法。

参考文献：

Kai Chen, Lingxiao Li, Bucheng Li, Yanfei Yang, Keyu Zhu, and Junping Zhang*, Simultaneous Fresh Water Collection and Li⁺ Selective Adsorption Enabled by A Salt-Resistant Separated Solar Evaporator, Advanced Functional Materials, 2024, DOI: 10.1002/adfm.202402221

来源：高分子科学前沿

中科院兰州化物所张俊平课题组AFM：同时实现清洁水收集和锂离子选择性吸附的太阳能蒸发器