研究背景 太阳能光热水蒸发 (SVG) ，其在解决水危机和能源短缺这两个最严重的全球挑战方面有着巨大的潜力和应用前景。高效、持续的水蒸发和盐结晶之间的矛盾是该技术的主要瓶颈，极大地限制了太阳能光热水蒸发的实际应用，尤其是在高浓度盐水的处理方面。这是因为水蒸气在空气中的扩散速率（10-5 m2 s-1）远大于盐在水中的扩散速率（10-9 m2 s-1）。随着水蒸气不断的快速逸出，盐分不可避免地在光热材料表面、内部发生结晶和积累，其严重阻碍和降低了太阳光吸收热转化、水输送和水蒸气蒸发过程，甚至会终止蒸发运行。触发太阳能光热海水持续高效蒸发的核心部件是蒸发器材料，其中在蒸发器表面构建亲水性和疏水性双功能位点以促进水蒸发的同时提高自清洁能力显得尤为重要。将光热转化、亲水和疏水位点三种特性集成于一体，尤其是对具有矛盾性的亲-疏水性位点的构建和调控，显然是太阳能海水蒸发器设计合成中的一项挑战性的任务。鉴于传统的碳、等离子体、半导体和有机聚合物难以满足上述要求，因此迫切开发新型的光热功能蒸发器材料以揭示高效水蒸发与自清洁/抗盐污性能之间的构效关系，为推动太阳能光热水蒸发走向大规模实际应用奠定基础。
文章简读 最近，东北师范大学谭华桥，李阳光团队合理的利用多酸（POM）的氧化还原特性和亲水性，以及其还原态杂多蓝（HPB）在太阳光谱范围内具有宽且强的光吸收特性、优异的光热转化能力和稳定性。一方面，旨在通过HPBs阴离子与传统有机阳离子聚合物光热材料的自组装复合协同强化整体的光热转化性能，同时解决HPB水浸出问题，实现高效和稳定的装载。另一方面，旨在通过亲水性HPBs位点调节来实现自组装材料表面微环境的系统管理和局部亲水-疏水区域的优化，进而为高效水蒸发-强力反盐污的太阳能光热功能水蒸发器设计提供有效策略。如图1a所示，在3D三聚氰胺泡沫（MF）骨架表面吸附的磷钼酸（PMA）引发了吡咯的氧化聚合，生成的HPB和反应体系中油酸（OA）阴离子分别与电子受体聚吡咯（PPy）阳离子完成竞争性自组装，成功的构筑了一系列表面亲-疏水性可调控的3D多孔光热水蒸发器（分别记为：MF@HPB-PPy5-OA，MF@HPB-PPy10，MF@HPB-PPy10-OA，MF@PPy10-OA，MF@HPB-PPy20-OA）。在亲-疏水两种电子供体的排斥力下，3D MF@HPB-PPy20-OA骨架表面的亲水位点呈现一种特殊的空间分离特征结构：在没有 HPB 的表面区域，PPy外表面被疏水性OA分子修饰，形成一个局部疏水区域（图1b，左）；在PPy内侧的HPB区域，由于没有OA修饰而表现出对水的良好亲和性（图1b，右）。
![]()
图1. 电子供体竞争性与电子受体的自组装设计3D MF@HPB-PPyn-OA蒸发器
图文赏析 基于这种独特的空间分离结构，3D MF@HPB-PPy10-OA表面的亲-疏水性可以有效的进行调控（图2a-d）。其次，还原态的杂多蓝与传统PPy光热组分的复合协同提高了整体的光吸收（图2e）、光热转化性能（图2f-g）和太阳能水蒸发性能（图2h-j）。同时这种空间分离结构意味着HPB的亲水区域的充分暴露，在HPB的亲水性作用下形成了纳米级水通道，促进了水分子在光热位点HPB上原位的快速传输和蒸发。在一个太阳辐照下，3D MF@HPB-PPy10-OA表现出较高水平的蒸发性能：蒸发速率为3.4 kg m-2 h-1和能量效率为94.9% (图 2i)。
![]()
图2. (a) Ⅱ型异质结和(b) S型异质结的比较示意图。
在高盐度 (10 wt%) 海水的太阳能零液体排放性能评估中，3D MF@HPB-PPy10-OA的蒸发速率始终维持在3.30 kg m-2 h-1且获得了96.54%的盐水分离效率，且整个过程表面无盐结晶和堵塞现象，证实了亲-疏水位点的关键作用：相比之下，强疏水性3D MF@PPy10-OA因缺乏亲水位点最终仅获得了1.83 kg m-2 h-1的平均蒸发率和88.73%的盐-水分离效率；而亲水性3D MF@HPB-PPy10因缺乏疏水位点，随着海水的盐度的增加其耐盐性明显降低，甚至覆盖整个蒸发器表面。其最终获得了2.12 kg m-2 h-1的平均蒸发率和70.43%的盐收集效率。此外，长达100 h的连续测试也显示出了MF@HPB-PPy10-OA高效的水蒸发能力和实时的自我清洁能力。
![]()
图3. 3D MF@HPB-PPy10-OA表面亲-疏水性与太阳能高盐度海水蒸发和反盐污性能研究
文章链接
太阳能光热水蒸发 (SVG) ，其在解决水危机和能源短缺这两个最严重的全球挑战方面有着巨大的潜力和应用前景。高效、持续的水蒸发和盐结晶之间的矛盾是该技术的主要瓶颈，极大地限制了太阳能光热水蒸发的实际应用，尤其是在高浓度盐水的处理方面。这是因为水蒸气在空气中的扩散速率（10-5 m2 s-1）远大于盐在水中的扩散速率（10-9 m2 s-1）。随着水蒸气不断的快速逸出，盐分不可避免地在光热材料表面、内部发生结晶和积累，其严重阻碍和降低了太阳光吸收热转化、水输送和水蒸气蒸发过程，甚至会终止蒸发运行。触发太阳能光热海水持续高效蒸发的核心部件是蒸发器材料，其中在蒸发器表面构建亲水性和疏水性双功能位点以促进水蒸发的同时提高自清洁能力显得尤为重要。将光热转化、亲水和疏水位点三种特性集成于一体，尤其是对具有矛盾性的亲-疏水性位点的构建和调控，显然是太阳能海水蒸发器设计合成中的一项挑战性的任务。鉴于传统的碳、等离子体、半导体和有机聚合物难以满足上述要求，因此迫切开发新型的光热功能蒸发器材料以揭示高效水蒸发与自清洁/抗盐污性能之间的构效关系，为推动太阳能光热水蒸发走向大规模实际应用奠定基础。
最近，东北师范大学谭华桥，李阳光团队合理的利用多酸（POM）的氧化还原特性和亲水性，以及其还原态杂多蓝（HPB）在太阳光谱范围内具有宽且强的光吸收特性、优异的光热转化能力和稳定性。一方面，旨在通过HPBs阴离子与传统有机阳离子聚合物光热材料的自组装复合协同强化整体的光热转化性能，同时解决HPB水浸出问题，实现高效和稳定的装载。另一方面，旨在通过亲水性HPBs位点调节来实现自组装材料表面微环境的系统管理和局部亲水-疏水区域的优化，进而为高效水蒸发-强力反盐污的太阳能光热功能水蒸发器设计提供有效策略。如图1a所示，在3D三聚氰胺泡沫（MF）骨架表面吸附的磷钼酸（PMA）引发了吡咯的氧化聚合，生成的HPB和反应体系中油酸（OA）阴离子分别与电子受体聚吡咯（PPy）阳离子完成竞争性自组装，成功的构筑了一系列表面亲-疏水性可调控的3D多孔光热水蒸发器（分别记为：MF@HPB-PPy5-OA，MF@HPB-PPy10，MF@HPB-PPy10-OA，MF@PPy10-OA，MF@HPB-PPy20-OA）。在亲-疏水两种电子供体的排斥力下，3D MF@HPB-PPy20-OA骨架表面的亲水位点呈现一种特殊的空间分离特征结构：在没有 HPB 的表面区域，PPy外表面被疏水性OA分子修饰，形成一个局部疏水区域（图1b，左）；在PPy内侧的HPB区域，由于没有OA修饰而表现出对水的良好亲和性（图1b，右）。
图1. 电子供体竞争性与电子受体的自组装设计3D MF@HPB-PPyn-OA蒸发器
基于这种独特的空间分离结构，3D MF@HPB-PPy10-OA表面的亲-疏水性可以有效的进行调控（图2a-d）。其次，还原态的杂多蓝与传统PPy光热组分的复合协同提高了整体的光吸收（图2e）、光热转化性能（图2f-g）和太阳能水蒸发性能（图2h-j）。同时这种空间分离结构意味着HPB的亲水区域的充分暴露，在HPB的亲水性作用下形成了纳米级水通道，促进了水分子在光热位点HPB上原位的快速传输和蒸发。在一个太阳辐照下，3D MF@HPB-PPy10-OA表现出较高水平的蒸发性能：蒸发速率为3.4 kg m-2 h-1和能量效率为94.9% (图 2i)。
图2. (a) Ⅱ型异质结和(b) S型异质结的比较示意图。
在高盐度 (10 wt%) 海水的太阳能零液体排放性能评估中，3D MF@HPB-PPy10-OA的蒸发速率始终维持在3.30 kg m-2 h-1且获得了96.54%的盐水分离效率，且整个过程表面无盐结晶和堵塞现象，证实了亲-疏水位点的关键作用：相比之下，强疏水性3D MF@PPy10-OA因缺乏亲水位点最终仅获得了1.83 kg m-2 h-1的平均蒸发率和88.73%的盐-水分离效率；而亲水性3D MF@HPB-PPy10因缺乏疏水位点，随着海水的盐度的增加其耐盐性明显降低，甚至覆盖整个蒸发器表面。其最终获得了2.12 kg m-2 h-1的平均蒸发率和70.43%的盐收集效率。此外，长达100 h的连续测试也显示出了MF@HPB-PPy10-OA高效的水蒸发能力和实时的自我清洁能力。
图3. 3D MF@HPB-PPy10-OA表面亲-疏水性与太阳能高盐度海水蒸发和反盐污性能研究
发展历程
![]( "微信图片_20230907110455.jpg")
发展历程
