随着全球水资源的日益短缺，寻找可持续的淡水获取技术成为了当务之急。太阳能驱动的水蒸发技术因其环保和经济高效的特点，受到广泛关注。近年来，基于海藻酸钠（SA）的水凝胶，因其优异的亲水性和可塑性，被广泛用于太阳能蒸发器的开发。然而，SA基水凝胶蒸发器在使用过程中容易出现结构变形和机械性能下降，导致蒸发效率降低。
将两种或两种以上不同类型的天然或合成聚合物组成杂化水凝胶，同时继承了天然聚合物基水凝胶良好的生物相容性和安全性和合成聚合物基水凝胶高机械强度的优点，从而解决了上述问题。聚乙烯醇（PVA）基水凝胶，与SA形成独特的双网络杂化水凝胶，显著提高了SA水凝胶的力学性能；另一方面，大孔网络结构的海绵载体材料，如密胺海绵（MS），具有优异的水传输能力。然而，当 SA/PVA 水凝胶应用于MS 时，不可避免的会发生结构变形，导致水传输通道变形，从而降低水的传输性能并导致盐颗粒在蒸发界面处沉淀。因此，选择一种材料作为“铆钉”与SA/PVAS-MS双交联网络相结合，提高结构稳定性的需求迫切，但仍是一个重大挑战。
碳点（CDs，直径小于10纳米）无毒、生物相容性好、来源廉价，表面含有丰富的羟基和羧基，可作为太阳能界面蒸发器设计的多功能组件。CDs表现出优异的光吸收性能，可以有效提高蒸发器的光热转换效率；同时，CDs表面亲水基团可以与水分子形成各种氢键，从而影响蒸汽生成的整体能量需求。此外，碳点上含有丰富的含氧功能团（羟基、羧基等)可通过氢键连接到SA/PVA水凝胶的双交联网络上，促进有效交联聚合，提高蒸发器的力学性能。
基于此，江苏科技大学施伟龙/郭峰副教授团队通过结合碳点（CDs）与海藻酸钠（SA）、聚乙烯醇（PVA）以及三聚氰胺海绵（MS）成功开发了3D-CDs/SA/PVA-MS复合水凝胶太阳能蒸发器。通过CDs与SA/PVA双交联网络的有效结合，不仅显著增强了蒸发器的机械性能和承载能力，还极大地提高了其光热转换能力。在1个光照强度下，3D-CDs/SA/PVA-MS蒸发器在3.5 wt% NaCl溶液中表现出高达4.79 kg m-2 h-1的蒸发率，并在高盐海水（25 wt%）中仍保持较高的蒸发率（4.13kg m-2 h-1）。
该论文以“Hydrogel-based 3D evaporator with cross-linked fixation by carbon dots for ultra-high and stable solar steam generation”为题发表在Chemical Engineering Journal上。通讯作者为江苏科技大学施伟龙副教授和郭峰副教授，第一作者为江苏科技大学本科生张向和硕士生孙磊。
图1展示了三维CDs/PVA/SA-MS水凝胶的制备，该水凝胶融合了CDs、SA与PVA，在MS上形成双交联网络，具备优异供水与光热转换能力。SEM显示MS骨架支撑水凝胶，CDs的加入增强了表面粗糙度和孔壁强度。水凝胶的黑色源于均匀分布的CDs，可以高效吸收太阳光。
图1. (a) 3D-CDs/SA/PVA-MS水凝胶的制备工艺示意图。(b，c) 3D-MS、3D-SA/PVA-MS和3D-CDs/SA/PVA-MS水凝胶的模型图像、光学图像和SEM图像。
CDs/SA/PVA-MS水凝胶通过CDs加固网络结构。该水凝胶超轻且柔韧，压缩后迅速回弹，展现出优异的线性弹性与承载能力。在50%压缩应变下，经50次循环测试，其应力-应变曲线稳定，最大应力提升近150%，弹性模量显著增强。这些特性确保了水凝胶在蒸发器中的长期稳定运行与高效水传输。
图2. (a)光学图像显示超轻的属性。(b)蒸发器的结构适应性。(c)蒸发器的压缩和反弹过程图。(d)、(e) 和(f)蒸发器的应力-应变曲线。(h)，(g)蒸发器循环疲劳试验的应力-应变曲线和载荷-位移曲线。(i)蒸发器的最大应力和压缩模量。
3D-CDs/SA/PVA-MS水凝胶通过亲水CDs提升水吸收速度，有效促进水分子与蒸发器互动。其三维结构与CDs共同防止盐沉积，保持蒸发器表面清洁。高吸水率与稳定结构确保连续供水，避免盐粒积聚。在不同盐度与pH环境下，该水凝胶保持低溶胀率，展现优异稳定性。循环压缩测试进一步证实其结构坚韧，适合长期稳定运行，确保高效太阳能蒸发性能。
图3. (a)动态接触角图像。(b)所制备样品的侧面水运输照片。(c)不同浓度的氯化钠溶液中的盐沉淀照片。(d)表面抗盐沉积过程的光学图像。(e)干燥水和饱和水状态下的重量，以及相应的吸水率。(f)制备的样品的形状变形程度的照片。(g)制备的样品在不同pH值溶液中的膨胀率。(h)蒸发器在50次压缩松弛循环前后的照片。
3D-CDs/SA/PVA-MS太阳能蒸发器通过优化结构设计，显著提升蒸发效率。其高效光热转换与稳定水供应机制，在模拟太阳光下实现高蒸发率，并有效减少热损失。该蒸发器在不同光照条件、盐浓度及pH环境下均展现出稳定性能，循环耐用性优异。与同类蒸发器相比，3D-CDs/SA/PVA-MS蒸发器在蒸发效率上表现卓越。
图4. 太阳能蒸发器的(a)有效蒸发面积和(b)环境能量收集的比较。(c)太阳能蒸汽性能评价装置图。(d)水重量随时间的变化。(e)所制备的样品的蒸发率和效率。(f)不同辐照角度下的蒸发速率。(g)不同盐浓度下蒸发器的蒸发率。(h)不同光强条件下蒸发器的蒸发率。(i)不同pH值下的蒸发器的蒸发率。(j)蒸发器的循环测试性能。(k)与其他已报道的太阳能蒸发器的比较。
3D-CDs/SA/PVA-MS蒸发器通过高效光吸收和热管理显著提升蒸发效率。其光吸收率高，表面温度迅速升高，远超传统材料。低热导率与水凝胶多孔结构结合，减少热损失。三维结构增加表面粗糙度，增强光吸收和热定位，使热量集中于蒸发表面。红外监测与模拟分析均证实，三维蒸发器有效限制热量流失，促进蒸汽生成，展现卓越热管理能力，较二维结构更具优势，为高效太阳能蒸发提供有力支持。
图5. (a)紫外-vis-NIR吸收光谱。(b)光热试验实验装置图。(c)所制备样品在1次阳光照射下干燥状态下的温度变化曲线。(d)所制备样品的导热系数。(e))所制备样品的表面粗糙度。(f)样品的温度变化曲线。(g)样品的红外光学图像。(h)样品的温度分布模拟。
太阳能海水淡化装置通过3D-CDs/SA/PVA-MS蒸发器实现高效蒸发，日产水量达14.2 kg m-2。该装置在实验中快速产生大量淡水，并成功净化有机染料、酸性和碱性溶液。使用渤海海水测试，其脱盐效果显著，离子浓度降低3-4个数量级，符合WHO饮用水标准，证明了其卓越的脱盐和水净化能力，为太阳能海水淡化技术的可行性和应用前景提供了有力支持。
图6. (a)海水淡化系统的原理图。(b)户外测试期间太阳能驱动蒸发器海水淡化系统的数码照片。(c)太阳能蒸发器在不同辐照时间内快速产生蒸汽的照片。(d)蒸发器上进行室外试验的实际蒸发率。(e)染料废水模拟太阳蒸发后收集的冷凝水中MB和RhB的吸光度的变化。(f)酸性和碱性溶液中获得的冷凝水的pH变化。(g)测量了实际海水样品中四种主要离子（Na+、K+、Ca2+和Mg2+）的浓度。
综上所述，本文开发了一种基于碳点（CDs）结合海藻酸钠/聚乙烯醇（SA/PVA）水凝胶的3D太阳能蒸发器。通过将CDs与SA/PVA双交联网络结合，不仅增强了蒸发器的机械性能和承载能力，还显著提高了其光热转化能力。实验证明，该蒸发器在3.5% NaCl溶液中1个光照强度下的蒸发速率高达4.79 kg m-2 h-1，在高盐度海水（25 wt%）中仍能保持4.13 kg m-2 h-1的蒸发速率。这项研究为进一步优化SA基水凝胶蒸发器的蒸发性能提供了一个简单而可靠的改进方法，展示了其在海水淡化和净化领域的广泛应用前景。
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https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.154793
