南昌大学李越湘教授团队《AFM》：限域毛细作用促进高效太阳能水蒸发

原创高分子科学前沿高分子科学前沿

【成果简介】

在光热材料内外界面形成超薄水并制造丰富的水/空气界面是促进太阳能驱动的水蒸发速率的有效手段，但仍是一个巨大挑战。近日，南昌大学李越湘教授团队在Advanced Functional Materials 上发表题为“Confinement Capillarity of Thin Coating for Boosting Solar-Driven Water Evaporation”的文章，论文第一作者为王振兴副教授和吴晓春硕士，通讯作者为王振兴副教授和李越湘教授。该研究以团队开发的TA-APTES涂层为基础，在多孔海绵表面构建了由大量黑色亲水纳米小球组成的涂层，利用堆积纳米球之间的孔道形成限域毛细作用，实现在光热材料内/外表面构建超薄水层，最终实现高效太阳能驱动水蒸发。实验表明，基于限域毛细作用的光热蒸发器在一个太阳（1 KW m^-2）的光照下，水的平均蒸发速率可达3.2 kg m^-2h^-1。

【全文速览】

近年来，由于环境污染和人口增长，清洁饮用水短缺已成为最重要的全球挑战之一。因此，开发生产清洁水的有效技术迫在眉睫。近年来，太阳能驱动的界面蒸发作为一种高效利用太阳能产生清洁水的新途径，引起了人们的广泛关注。但目前多数光热材料借助自身管道或多孔结构形成的毛细作用力进行供水，往往出现供水过量问题，过多的水充满孔道不仅造成了水蒸气溢出困难，还降低了太阳能利用效率。降低材料内/外表面水的厚度，在多孔光热材料内部形成大量的水/空气界面是解决上述问题的有效途径，但仍是一个巨大挑战。

本文提出了一种新的策略——限域毛细作用，以显著提高太阳能驱动的水分蒸发。限域毛细作用是通过在普通海绵骨架上聚集的黑色/亲水性纳米粒子之间产生的纳米通道来实现的。借助限域毛细作用，水可以限制在纳米光热涂层的孔道中（而不填充海绵自身大孔），并自动向上运输，从而在海绵骨架的外表面和内表面都能形成超薄水层(2~5μm)，而无需通过外部装置精确控制供水。薄水层不仅可以在光热材料内部形成大量蒸汽逸出通道，增大蒸发面积，还可以防止太阳能加热多余的水，提高太阳能利用效率（图1）。

图1. 用于促进太阳能驱动界面水蒸发的限域毛细作用示意图：（a）修饰聚氨酯海绵的薄纳米球涂层，通过单宁酸(TA)、氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)和铁离子反应而来。（b）水可以通过海绵骨架上聚集纳米球间的通道向上运输，从而形成超薄水层，而不是将海绵大孔填充满。（c）限域毛细作用促进太阳能驱动水蒸发。

海绵表面积累了大量的亲水纳米小球，球与球之间产生了丰富的毛细孔道，这些孔道产生了毛细作用，促进了水的运输。为了验证这一现象，进行了验证实验：将表面负载亲水小球的乳胶管与表面光滑的亲水乳胶管进行水运输实验，实验表明，亲水纳米小球间的毛细作用可以提供足够的作用力实现水自下而上运输。此外，采用表面修饰亲水小球和表面无小球的亲水海绵（考察了不同孔径的海绵）进行对比实验，证明了海绵骨架上亲水纳米球涂层及海绵自身孔径大小是实现限域毛细作用的关键。进一步通过光学显微镜和Micro-CT直观证明水层在光热海绵内外骨架上的平均厚度约2.8um，远小于海绵自身孔径 (~200um)（图2）。

图2.中孔海绵的限域毛细作用。（a)亲水纳米小球可以赋予基质强大的毛细作用，使水从底面快速输送到上表面。（b)实现和演示约束毛细作用的简单装置的结构图（c)不同海绵上pH值变化的照片图像。（d) pH纸背面的照片图像。（e)固定在简易装置上的海绵不同位置观察水分布的设计。（f)光学显微镜图像 (g)不同扫描断面海绵的Micro-CT图像(高分辨率:1µm)（h)大面积的Micro-CT图像(低分辨率:7µm) （i）不同海绵水厚度和水厚度/孔径半径比。

海绵骨架上的薄水层不仅可以防止太阳能加热多余的水，还可以暴露尽可能多的蒸发面积，大幅增加蒸汽逸出通道，提高太阳能驱动的水蒸发速率。在限域毛细作用下，中孔光热海绵的纯水的蒸发量可达3.2 kg m^-2（一个太阳下）。此外，具有限域毛细作用的光热海绵在处理普通模拟盐水（3.5wt%）时表现出良好的脱盐性和抗盐性。该限域毛细作用可以在大面积海绵中实现，无需精密控制装置来精确供水，使其很容易地扩展到实际应用中（图3）。

图3.通过限域毛细作用促进太阳能驱动的水蒸发。(a)限域毛细作用对推动太阳能驱动的水蒸发的重要作用的示意图。(b)不同海绵的水分蒸发速率。(c)不同海绵的能源效率。(d)在一个太阳照射(1 kW m⁻²)下，中孔海绵连续(6小时)太阳能淡化性能。使用模拟海水(3.5% wt% NaCl)。插图为中孔海绵在测试时(有光照)和测试后(无光照)的照片图像。(e)根据分析海水淡化前后三个模拟海水样品的盐度。(f)模拟海水样品在一个太阳下脱盐前后的离子浓度变化。

【总结】

本研究提出了一个新的策略——限域毛细作用，显著提高了太阳能驱动水蒸发的蒸发速率。通过限域毛细作用在光热材料内/外表面形成的超薄水层不仅可以防止太阳能加热多余的水，还可增加蒸汽逸出通道，暴露尽可能多的蒸发面积，最终显著提升蒸发速率。值得一提的是，限域毛细作用的实现不需要通过精密设备对供水进行精确控，可以很容易地扩展到实际应用中。此外，对于3.5wt%的普通盐水，具有限域毛细作用的光热材料可以在白天保持其高蒸发率，在夜间自动去除表面少量结晶盐，避免盐分积累。本研究为太阳能驱动的高效界面水蒸发提供了新思路和新途径，并将为解决世界水资源问题做出积极贡献。

作者简介

吴晓春

南昌大学化学学院硕士研究生，研究方向为太阳能驱动的界面水蒸发。

王振兴博士

南昌大学化学学院副教授，2017年1月毕业于哈尔滨工业大学获工学博士学位（攻博期间曾在新加坡南洋理工大学联合培养一年），于同年2月份加入南昌大学任讲师，2021年1月晋升为副教授。目前主要从事基于贻贝仿生的表/界面改性技术的开发及其在水处理中的应用研究。以第一作者/通讯作者身份在Matter, Nature Communications, Nano Energy, Materials Horizons, Journal of Membrane Science等杂志上发表一区论文20余篇，H因子28。代表性成果：开发了TA-APTES涂层（其在某些方面有望取代聚多巴胺涂层），并对其进行了系列研究，后续将继续围绕该类涂层开展深入研究，并积极推进该类涂层的应用。

李越湘教授

南昌大学化学学院二级教授，博士生导师。江西省高校中青年学科带头人, 中国化学会电化学专业委员会委员，国际先进材料协会会士(IAAM Fellow)。曾任中国太阳能学会氢能专业委员会委员。主要从事光催化、电催化及光电催化等研究，获江西省自然科学二等奖2次（均排名第一），以第一作者/通讯作者身份在Matter，Nano Energy，Applied Catalysis B: Environmental, Journal of Materials Chemistry A 等国内外期刊发表论文130余篇，连续多年入选Elsevier发布的中国高被引学者榜单。

论文DOI: 10.1002/adfm.202011114

文章链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202011114

来源：高分子科学前沿

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