近年来，人口增长、经济发展和新冠疫情导致清洁水资源消耗加剧，全球水资源危机日益严重。如何从有限的资源中获得清洁水，成为全人类迫切关注的问题。其中，大气水收集技术和太阳能驱动的界面蒸发技术在寻求清洁和可持续的水资源方面显示出巨大的潜力。但是，大气水收集技术由于平面结构的集水效率相对较低，且精细的结构导致其生产规模有限。太阳能作为一种绿色能源，推动了太阳能驱动界面蒸发技术的发展，其中光热膜是常见材料，但其柔韧性和稳定性被忽视。因此，开发一种能够在不同环境条件下适应多种场景，有效进行水资源收集与释放的材料，显得至关重要。
日本信州大学国际工学研究所朱春红副教授课题组开发了一种多功能水凝胶。该水凝胶模仿了鳞叶卷柏和蜂窝的多孔结构，以增强水分的转移，河豚鱼的吸水和吐水行为也为水凝胶的水分收集与释放提供了灵感。水凝胶由聚乙烯醇（PVA）和海藻酸钠（SA）制成，这两种材料具有高亲水性、多孔性和氢键网络，硼砂作为交联剂。金属有机框架（ZIF-67）和石墨烯的添加提升了水凝胶的光热性能，并增强了其吸附离子和去除重金属的能力，使得水凝胶在蒸发效率、脱盐效果和耐用性方面表现出色。这种水凝胶在不同状态下生产清洁水资源的潜力，在柔性电子材料和可持续的污水或废水处理应用中具有很大的前景。
1. 仿生水凝胶的设计与合成
本研究基于鳞叶卷柏的水分响应行为、蜂窝的集水结构和河豚的吸水释放特性，开发了一种仿生复合水凝胶。这种水凝胶以PVA和SA为主材料，通过硼砂交联形成，加入ZIF-67和石墨烯以增强光热性能，最后利用冷冻干燥在水凝胶基质中形成蜂窝状多孔结构。实验获得的蜂窝状结构仿生凝胶分别为PVA/SA水凝胶、石墨烯/PVA/SA水凝胶、ZIF-67/PVA/SA水凝胶和石墨烯/ZIF-67/PVA/SA水凝胶（GZPS）。
图1 多功能水凝胶的多重生物启发设计和概念表述
2. 不同水合态下水凝胶的光热转化特性
研究测试了四种水凝胶在模拟阳光下的光热转换性能。结果显示，添加石墨烯的水凝胶温度显著上升，GZPS水凝胶保持了良好的太阳热转换能力，ZIF-67和石墨烯的协同作用加速了GZPS的温度变化。无论是何种形状，水凝胶都可以保持稳定的光热转换能力，且在不同湿度条件下均能有效吸收太阳能。通过UV-vis-NIR光谱研究了四种凝胶的全带吸收性能。进行集水行为之后，水凝胶仍能保持高效的太阳能吸收和转换，GZPS凝胶的太阳能吸收效率高达95.25%。
图2 不同水合状态下水凝胶的太阳热转化特性
3. 集水和释放性能
经过一段时间的集水实验后，将富含收集水的凝胶置于模拟阳光下，同时记录其温度变化和实时质量变化。实验结果显示，经过3小时的水收集，GZPS水凝胶的水收集率达到了15.84 g·g-1，优于其他类型的水凝胶。而在1倍太阳光强的照射下，GZPS水凝胶的水释放效率达到了1.67 kg·m-2h-1，显示出其优异的光热转换能力。即使经过反复循环实验，GZPS凝胶仍具有稳定的集水和释放性能，表明该材料具有良好的耐用性，可以承受长期使用。
图3 集水和释放行为
4. 太阳能驱动的海水蒸发性能
GZPS凝胶因其出色的透水性和仿生多孔结构，能有效进行太阳能驱动的海水淡化。如图4a和4b所示的蒸发装置系统，GZPS凝胶作为顶部太阳能吸收剂，将光能转化为热能，促进海水蒸发。该系统利用聚苯乙烯泡沫隔热，并通过棉层输送海水。实验显示，GZPS系统在阳光照射1小时后，凝胶温度可达42.5℃，远高于自然海水的28.5℃，蒸发效率高出三倍，证明了其在太阳能蒸汽生成中的高效性。
图4 (a)太阳能驱动蒸发测量系统示意图。(b)蒸发装置系统的具体外观。(c)在不同时间点，天然海水、装置系统和GZPS装置系统在太阳照射下的热图像，以及(d)相应的温度变化。(e)不同条件下天然海水、装置系统和GZPS装置系统随时间的质量变化曲线。(f)在日光照射和(g)黑暗条件下，天然海水、装置系统和GZPS装置系统的质量变化曲线以及相应的蒸发率。
5. GZPS蒸发装置系统的实际应用
GZPS设备系统经过长期测试，显示出在太阳光和黑暗条件下的稳定性和耐用性。循环蒸发实验中，GZPS系统表现出稳定的质量变化，证明了其对太阳光的稳定响应，尽管蒸发速率有所下降，但系统仍能维持高效海水淡化。收集的蒸发海水中的重金属离子浓度显著降低，证实了GZPS系统在去除重金属离子方面的高效性。长期蒸发后，GZPS凝胶表面无明显盐分积累，EDS分析显示其内部吸附了大量Na和Cl元素，证明了其在太阳能驱动的海水淡化中的潜力。
图5 太阳能驱动海水蒸发循环测试期间GZPS设备系统的(a)质量变化曲线，以及(b)相应的蒸发率。(c)蒸发过程中水滴形成的照片和红外图像。(d)纯净水和（e）海水中的四种主要离子浓度和其他精神离子浓度。(f)太阳照射12小时前后GZPS设备系统的照片。
本研究成功开发了一种创新的多功能水凝胶（石墨烯/ZIF-67/PVA/SA），其设计灵感源自自然界的鳞叶卷柏、蜂窝结构以及河豚鱼，在被动式雾水捕获和太阳能驱动的海水淡化领域展现出卓越的性能。这种水凝胶结合了PVA/SA基质的亲水性和石墨烯、ZIF-67的光热性能，无论是在干燥还是湿润的环境中，均能高效地产出清洁水。在雾流条件下，水凝胶3小时内吸水率达94.06%，放水效率为1.67 kg·m−2h−1。在1倍太阳光强的照射下，海水蒸发速率可达1.89 kg·m−2h−1，太阳能热转换效率为92.32%。这项研究为利用可再生能源收集和净化水资源提供了新途径，并展示了仿生策略在功能材料设计中的潜力。
研究开发了一种具有宏观/微观/纳米层次结构的复合水凝胶，优异的光热转换能力使其能够在不同条件下有效收集和释放水。
可扩展的模块化水凝胶不仅为复合功能材料制备激发了新的仿生学思想和概念，而且为未来更多场景生产清洁水开辟了新的范式，有利于生态可持续性。
https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143330
来源：Go Cellulose
