随着社會和工業的快速發展，化石能源得到了廣泛的開發利用。人類可獲得的淡水資源總量顯著下降，導緻世界範圍内缺水地區和人口的增加。近年來，太陽能光熱技術已成為海水淡化和污水處理的一種有前景的解決方案。界面太陽能蒸汽生成(ISSG)基于太陽光熱轉換技術，将産生的熱量集中到蒸發表面，進而實作海水淡化、污水處理等功能。光熱蒸發過程往往需要高速的内部水供應，這導緻光熱界面的熱損失難以控制，為了更高的蒸發效率，設計合成同時具備高效光熱轉換和熱管理能力的界面蒸發結構是具有挑戰性且有着重要意義的。除此之外，将光熱蒸發結構應用于光催化水分解制氫等場景，能夠提高其他系統的太陽能的整體使用率，拓寬光熱蒸發體系的實際應用空間。
近日，南京航空航天大學常焜教授課題組創造性地開發了一種通過簡單制備方法得到的界面組裝水凝膠蒸發器，具備高效光熱轉換和熱管理性能，光照下的縱向導熱系數低至0.4413 W m-1 K-1，在真實海水中得到了5.07kg m-2 h-1的長時間平均蒸發速率，對太陽光的整體吸收率為95.6%，蒸發效率高達93.7%。與此同時，在負載光催化劑後組成光熱蒸發-光催化制氫耦合系統，利用光熱蒸發界面的結構特性可以實作45.5 mmol m-2 h-1的海水産氫速率。這種界面組裝設計為光熱蒸發和光催化制氫複合材料的規模化制備提供了新思路，也證明了光熱蒸發材料向多功能性發展的巨大潛力。該研究以題為“Interfacial assembled hydrogel evaporator for highly efficient thermal management and photothermal coupled water splitting reaction”的論文發表在《Advanced Functional Materials》上，第一作者為在讀碩士研究所學生黎文捷。
【界面組裝水凝膠蒸發器】這項研究工作首先通過氣泡模闆法制備了具備中空結構的二硫化钼（MoS2），經聚多巴胺（PDA）的原位聚合得到了雙層結構的複合光熱納米顆粒MoS2@PDA（MP）。獨特的雙層中空結構不僅增大了光吸收和光熱轉換效率、降低了漫反射和熱損失，同時利用PDA外殼的強黏附性，可以通過簡單的塗覆、真空抽吸等操作将MP組裝在通用型聚乙烯醇（PVA）水凝膠表面及内部孔壁中。光熱轉換材料的自身中空結構和蒸發器界面組裝方式使該水凝膠蒸發器的界面光熱轉換效率和蒸發速率得到了顯著提高，分别達到了93.7%和5.41 kg m-2 h-1。
作者測試了該水凝膠蒸發器的熱管理和光熱蒸發性能，發現相較于将光熱顆粒直接與前驅體溶液混合分布水凝膠蒸發器内部（MPPH-I），通過界面組裝方法負載MP後的水凝膠（MPPH-S）蒸發界面有着超低的蒸發焓（1075 J g-1）和1個太陽光照下35.4 ℃的界面穩态溫度，并且在不同暴露高度和光照強度下都有着良好的界面熱管理性能和側面冷蒸發效應。【海水淡化和戶外性能測試】為了測試該水凝膠蒸發器的耐鹽性和海水淡化能力，進行了一系列鹽度梯度下的蒸發性能測試，并設計了具有良好光熱蒸發-冷凝收集的獨立蒸發器件單元以進行戶外測試。在1個太陽光強下，該水凝膠蒸發器的能夠在20%及以下鹽度的鹽水中進行長時間蒸發。真實海水和有機污染水體經淨化收集後，金屬陽離子含量遠低于世界衛生組織（WTO）的可直接飲用水标準，非揮發性有機污染物基本被完全去除。
作者使用商業聚氨酯泡沫作為水凝膠蒸發器的自漂浮基座制備了可擴充的蒸發材料單元，結合設計的真空隔熱蒸發器能夠以海水或者有機污染水為待淨化水體運作，全天的戶外測試表明這種獨立裝置的日産水量能夠達到24.4kg m-2。【耦合光催化海水制氫】利用MP的PDA殼層具備強粘附性的特點，作者創造性地将钛酸锶基光催化劑均勻負載在MP堆積的蒸發界面上，得到了具備光熱蒸發耦合光催化制氫的複合水凝膠蒸發器。在1個太陽光強度的照射下反應溫度和穩定性優于傳統的懸浮體系，并且在較低催化劑用量下可以達到59.7mmol m-2 h-1的産氫速率。除此之外，由于蒸發界面堆積的納米顆粒不會形成連續水路造成海水對催化劑的侵蝕，經由光熱蒸發過程産生的大量水汽為光催化反應提供充足的底物，這種結構可以同時進行海水的脫鹽和光催化制氫，在真實海水中可以得到45.5mmol m-2 h-1的産氫速率和4.67 kg m-2 h-1的蒸發速率，光催化反應部分的STH和耦合反應的太陽能整體使用率分别為0.282%和85.7%。這種光催化材料的結構設計和制備方式驗證了光催化劑固定系統和海水直接光催化制氫的的可行性，為光熱蒸發-光催化複合材料的結構設計和規模化發展做出了嘗試。
小結作者設計并合成了具備中空複合結構的光熱轉換材料，經過界面組裝方式得到了具備高效熱管理性能的水凝膠蒸發器，驗證了光熱轉換材料的結構特點、組裝方式在光熱蒸發系統中的優越性，也為解決蒸發過程中熱管理和水傳輸之間的沖突提供了一種可行方案。作者利用這種蒸發器的界面結構特性，在負載光催化劑後得到了光熱蒸發-光催化耦合的複合水凝膠蒸發器，并實作了海水的直接光催化制氫。與此同時，文中涉及的結構設計思路也适用于海水淡化和光熱蒸發-光催化複合材料的規模化制備，擴大了光熱蒸發材料多功能性和實用性的發展空間。
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來源：高分子科學前沿