随着社会和工业的快速发展，化石能源得到了广泛的开发利用。人类可获得的淡水资源总量显著下降，导致世界范围内缺水地区和人口的增加。近年来，太阳能光热技术已成为海水淡化和污水处理的一种有前景的解决方案。界面太阳能蒸汽生成(ISSG)基于太阳光热转换技术，将产生的热量集中到蒸发表面，从而实现海水淡化、污水处理等功能。光热蒸发过程往往需要高速的内部水供应，这导致光热界面的热损失难以控制，为了更高的蒸发效率，设计合成同时具备高效光热转换和热管理能力的界面蒸发结构是具有挑战性且有着重要意义的。除此之外，将光热蒸发结构应用于光催化水分解制氢等场景，能够提高其他系统的太阳能的整体利用率，拓宽光热蒸发体系的实际应用空间。
近日，南京航空航天大学常焜教授课题组创造性地开发了一种通过简单制备方法得到的界面组装水凝胶蒸发器，具备高效光热转换和热管理性能，光照下的纵向导热系数低至0.4413 W m-1 K-1，在真实海水中得到了5.07kg m-2 h-1的长时间平均蒸发速率，对太阳光的整体吸收率为95.6%，蒸发效率高达93.7%。与此同时，在负载光催化剂后组成光热蒸发-光催化制氢耦合系统，利用光热蒸发界面的结构特性可以实现45.5 mmol m-2 h-1的海水产氢速率。这种界面组装设计为光热蒸发和光催化制氢复合材料的规模化制备提供了新思路，也证明了光热蒸发材料向多功能性发展的巨大潜力。该研究以题为“Interfacial assembled hydrogel evaporator for highly efficient thermal management and photothermal coupled water splitting reaction”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上，第一作者为在读硕士研究生黎文捷。这项研究工作首先通过气泡模板法制备了具备中空结构的二硫化钼（MoS2），经聚多巴胺（PDA）的原位聚合得到了双层结构的复合光热纳米颗粒MoS2@PDA（MP）。独特的双层中空结构不仅增大了光吸收和光热转换效率、降低了漫反射和热损失，同时利用PDA外壳的强黏附性，可以通过简单的涂覆、真空抽吸等操作将MP组装在通用型聚乙烯醇（PVA）水凝胶表面及内部孔壁中。光热转换材料的自身中空结构和蒸发器界面组装方式使该水凝胶蒸发器的界面光热转换效率和蒸发速率得到了显著提高，分别达到了93.7%和5.41 kg m-2 h-1。作者测试了该水凝胶蒸发器的热管理和光热蒸发性能，发现相较于将光热颗粒直接与前驱体溶液混合分布水凝胶蒸发器内部（MPPH-I），通过界面组装方法负载MP后的水凝胶（MPPH-S）蒸发界面有着超低的蒸发焓（1075 J g-1）和1个太阳光照下35.4 ℃的界面稳态温度，并且在不同暴露高度和光照强度下都有着良好的界面热管理性能和侧面冷蒸发效应。为了测试该水凝胶蒸发器的耐盐性和海水淡化能力，进行了一系列盐度梯度下的蒸发性能测试，并设计了具有良好光热蒸发-冷凝收集的独立蒸发器件单元以进行户外测试。在1个太阳光强下，该水凝胶蒸发器的能够在20%及以下盐度的盐水中进行长时间蒸发。真实海水和有机污染水体经净化收集后，金属阳离子含量远低于世界卫生组织（WTO）的可直接饮用水标准，非挥发性有机污染物基本被完全去除。作者使用商业聚氨酯泡沫作为水凝胶蒸发器的自漂浮基座制备了可扩展的蒸发材料单元，结合设计的真空隔热蒸发器能够以海水或者有机污染水为待净化水体运行，全天的户外测试表明这种独立装置的日产水量能够达到24.4kg m-2。利用MP的PDA壳层具备强粘附性的特点，作者创造性地将钛酸锶基光催化剂均匀负载在MP堆积的蒸发界面上，得到了具备光热蒸发耦合光催化制氢的复合水凝胶蒸发器。在1个太阳光强度的照射下反应温度和稳定性优于传统的悬浮体系，并且在较低催化剂用量下可以达到59.7mmol m-2 h-1的产氢速率。除此之外，由于蒸发界面堆积的纳米颗粒不会形成连续水路造成海水对催化剂的侵蚀，经由光热蒸发过程产生的大量水汽为光催化反应提供充足的底物，这种结构可以同时进行海水的脱盐和光催化制氢，在真实海水中可以得到45.5mmol m-2 h-1的产氢速率和4.67 kg m-2 h-1的蒸发速率，光催化反应部分的STH和耦合反应的太阳能整体利用率分别为0.282%和85.7%。这种光催化材料的结构设计和制备方式验证了光催化剂固定系统和海水直接光催化制氢的的可行性，为光热蒸发-光催化复合材料的结构设计和规模化发展做出了尝试。作者设计并合成了具备中空复合结构的光热转换材料，经过界面组装方式得到了具备高效热管理性能的水凝胶蒸发器，验证了光热转换材料的结构特点、组装方式在光热蒸发系统中的优越性，也为解决蒸发过程中热管理和水传输之间的矛盾提供了一种可行方案。作者利用这种蒸发器的界面结构特性，在负载光催化剂后得到了光热蒸发-光催化耦合的复合水凝胶蒸发器，并实现了海水的直接光催化制氢。与此同时，文中涉及的结构设计思路也适用于海水淡化和光热蒸发-光催化复合材料的规模化制备，扩大了光热蒸发材料多功能性和实用性的发展空间。声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
