余桂華團隊Acc. Chem. Res.綜述：水凝膠！一種新型太陽能凈化水的材料

【背景介紹】

眾所周知，淡水是一種有限的自然資源，但對所有生態系統的生存都至關重要。當今社會，超過30億人受到淡水短缺的嚴重影響。更重要的是，隨著人口增長、淡水資源污染和氣候變化，為人類提供充足和安全的淡水的挑戰性也是逐漸增加。因此，開發高效、經濟、可擴展的技術來凈化大量的海水和廢水迫在眉睫。

在近幾十年里，各種各樣的水凈化技術被很好的研究發展。其中，膜過濾和反滲透等基于膜的技術具有成本低、能源效率高等優點，但是也存在生產率低、污染和低鹽抑制等問題。然而，太陽能凈水是利用太陽能通過蒸發來分離水和雜質，因而利用可持續能源來凈化水有助于緩解水資源的短缺。但是太陽能吸收不足和熱損失限制了水蒸氣的生成速率，從而降低了純水收率。并且漫射的自然光不能滿足快速蒸發水的內在能量需求。因此，開發新型材料平臺，同時提供高的太陽能吸收、有效的能源利用以及低的水蒸發的能源需求，有助于實現太陽能水在自然光照下的高效凈化。

【成果簡介】

近日，美國德克薩斯大學奧斯汀分校的余桂華教授（通訊作者）團隊總結并報道了利用水凝膠作為太陽能凈水的新型材料。在文中，作者從材料選擇、分子工程和結構設計等方面綜述了近年來國內外在水凝膠型太陽能凈水器方面的研究進展。首先，介紹了由自由水、中間水和束縛水組成的水凝膠中獨特的水狀態，而中間水減少了水蒸發的能量需求。然后，描述了以水凝膠為基礎的太陽能蒸發器的設計原理，其中聚合物網絡被定制來調節水的狀態。水凝膠中的水狀態定義了水的蒸發行為。因此，水凝膠的聚合物網絡可以被設計成調節水的狀態，從而進一步降低水的蒸發焓。以凝膠化化學為基礎，作者還討論了高效水蒸氣生成的水凝膠的合成策略。通過合并與親水聚合物網絡太陽能吸收器，吸收太陽能并轉換為熱能，該熱能可原位用于驅動分子網中所含水的蒸發，并且與水凝膠具有強相互作用的太陽能吸收劑可引導水分子的形成。減少能量損失的微結構，并確保蒸發水的充分水傳輸。水凝膠表面的工程設計重點是促進水的蒸發，進一步提高太陽能的蒸發效率。水凝膠太陽能蒸發器以親水聚合物為基本材料，具有防污、選擇性和熱響應等多種功能，提高了對水的收集和凈化能力。總之，該工作希望通過改進水凝膠型太陽能蒸發器的性能、可擴展性、穩定性和可持續性，促進未來使用水凝膠型太陽能蒸發器走向實際應用，以緩解水資源的短缺。該工作以題為“Hydrogels as an Emerging Material Platform for Solar Water Purification”發表在著名期刊“Acc. Chem. Res.”上。

【圖文解讀】

圖一、水凝膠作為高效太陽能凈水材料平臺的示意圖

圖二、獨特的水凝膠結構
（a）水分子與聚合物鏈中官能團之間的非共價相互作用；

（b）水凝膠中獨特的水態。

圖三、合理設計的基于水凝膠的太陽能蒸發器

圖四、基于水凝膠的太陽能蒸發器的聚合物網絡工程
（a）HNG由分層的多孔結構組成，包括內部間隙、微米通道和分子篩、

（b）典型的SVG系統示意圖和水限制策略；

（c）納米結構水凝膠的SVG速率和效率；

（d）使用HNG脫鹽前后的三個人工海水樣品的鹽度。

圖五、基于水凝膠的太陽能蒸發器的性能測試
（a）h-LAH能水合的聚合物網絡中水的示意圖；

（b）拉曼光譜顯示中間水和自由水的擬合峰。

（c-e）不同水含量的h-LAH的DSC曲線飽和水含量h-LAHs中的中間水與游離水之比；

（f）散裝水和h-LAH1到h-LAH5中的水的等效水汽化焓。

圖六、基于水凝膠的太陽能蒸發器的表面形貌表征
（a）SVG的SH的示意圖；

（b）SHs頂層的SEM圖像；

（c）通過納米結構增強蒸發前沿的熱通量提高了SVG性能。

圖七、基于水凝膠的太陽能蒸發器的實用化功能
（a）水凝膠防污的示意圖；

（b）隨時間推移在水凝膠中積累的四個初級離子的測量濃度；

（c）長期測試中海水中HNG的SVG率；

（d）比較純化前后溶液的PH值；

（e）與目前為特定離子設計的技術相比，純化溶液中的離子殘留量；

（f）基于PNPG-F凈水器的凈水程序，將其浸入污水后吸收大量的凈水；

（g）PNPG-F在1太陽輻射下水的質量變化。

圖八、總結與展望

【總結】

綜上所述，通過基于水凝膠的蒸發器進行界面蒸發的性能優于許多報道的蒸發器，具有明顯的優勢。另外，通過改變主要的聚合物基體和不同的太陽能吸收劑來控制高SVG率和效率，以及足夠的水傳輸。通過調節聚合物網絡與水分子之間的相互作用，可以調節水態以減少水汽化所需的能量。此外，可以修改基于水凝膠的蒸發器的表面形貌，以影響水的蒸發，從而提高熱通量。同時基于水凝膠的蒸發器在長期測試中持續使用，并具有出色的穩定性和耐用性。盡管取得了不錯的成就，但是如圖8所示，在提高水凝膠型太陽能蒸發器的強度仍然面臨一些挑戰：（1）需要進一步加強探究在水凝膠中的基本蒸發機理；（2）提高水凝膠型太陽能蒸發器在惡劣條件下的穩定性和耐用性；（3）需要進一步的研究來揭示水蒸發的基本機理。

此外，將水凝膠應用于實際的水凈化、長期穩定性和大規模制備需要進一步改進。基于水凝膠的太陽蒸發器具有良好的耐鹽性能，可以長時間穩定產水。同時，利用更先進的抗菌、自潔和機械結構設計來提高水凝膠的穩定性和耐久性，以適用于不同的水源。結合目前一些有前景的策略將昂貴的聚合物骨架和吸收劑替換成低成本的材料，以實現水凝膠的高產量和大規模制造。
最后，應該探索水凝膠材料的多功能性，并將水凝膠蒸發器集成到水凈化系統中。總之，開發具有雙重甚至多重功能的太陽能一體化蒸發器是很有前途的。水凝膠型太陽能蒸發器的熱定位和熱梯度為熱電聯產提供一種新思路。相信在不久后，具有高性能、可擴展性、穩定性和可持續性的水凝膠型太陽能蒸發器將在實際的水凈化市場中發揮重要作用。

文獻鏈接：Hydrogels as an Emerging Material Platform for Solar Water Purification（Acc. Chem. Res., 2019, DOI:10.1021/acs.accounts.9b00455）

本文由COR編譯。

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