01

研究背景

工業(yè)活動(dòng)的人為擴(kuò)張加劇了淡水短缺。傳統(tǒng)海水淡化技術(shù)（如蒸餾、反滲透和多級(jí)閃蒸）的高成本限制了其大規(guī)模發(fā)展。太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面水蒸發(fā)技術(shù)作為一種新興的淡水生產(chǎn)技術(shù)，因其生產(chǎn)成本低、可再生能源利用和蒸汽產(chǎn)生速率高等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。薄膜、氣凝膠和織物形式的蒸發(fā)器已廣泛用于界面蒸發(fā)。近年來(lái)，聚合物水凝膠因其降低水蒸發(fā)焓的能力而備受關(guān)注。然而，水分子傾向于強(qiáng)烈地結(jié)合到親水性的分子多孔聚合物網(wǎng)絡(luò)上，導(dǎo)致水傳輸速率低。在高光強(qiáng)下，由于供水不足，水凝膠會(huì)嚴(yán)重收縮甚至破裂，這嚴(yán)重限制了其實(shí)際應(yīng)用和太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)技術(shù)的發(fā)展。與水凝膠不同，海綿的微米尺寸骨架與水分子的相互作用弱，因此海綿中的水可以自由移動(dòng)，從而通過(guò)毛細(xì)管力實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的水傳輸能力。木本植物的木質(zhì)部中具有長(zhǎng)程有序排列的微米級(jí)維管結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)毛細(xì)管力將水從根部快速輸送到葉片，甚至可達(dá)數(shù)十米，以滿足蒸騰需求。因此，構(gòu)建垂直和微米級(jí)的孔結(jié)構(gòu)以利用毛細(xì)管力對(duì)于實(shí)現(xiàn)水凝膠內(nèi)快速水傳輸至關(guān)重要。盡管定向冷凍干燥法可以形成微米級(jí)孔結(jié)構(gòu)，但由于水凝膠中聚合物網(wǎng)絡(luò)的親水性，吸水后孔壁不可避免地會(huì)膨脹，導(dǎo)致孔道堵塞，只剩下分子尺寸的孔，難以發(fā)揮毛細(xì)管力實(shí)現(xiàn)快速水傳輸。因此，在聚合物水凝膠體系中構(gòu)建具有海綿狀毛細(xì)管水傳輸行為的孔結(jié)構(gòu)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

相關(guān)工作以“Ice-Confined Cryo-Polymerization of Sponge-Like Hydrogelswith Self-Adapting Channel for Solar Water Purification”為題，發(fā)表在《ADVANCED MATERIALS》期刊上。（中科院一區(qū)TOP,JCR一區(qū)，IF=26.8）

02

相關(guān)數(shù)據(jù)

圖1：PACH水凝膠的制備與多級(jí)結(jié)構(gòu)。
（a) 制備具有垂直排列多孔通道PACH的示意圖。（b) PACH2的俯視SEM圖像。（c) PACH2的側(cè)視SEM圖像。比例尺：100 μm。（d) 顯示PACH2在水中微米級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微鏡照片。比例尺：100 μm。（e) PACH的小角X射線散射（SAXS）圖案。

圖2：PACH的機(jī)械與水傳輸性能。
（a) 不同濕態(tài)PACH沿水平方向的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（b) 濕態(tài)PACH2沿水平方向進(jìn)行200次循環(huán)的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（c) PACH2和PACH-c沿垂直方向在80%應(yīng)變下的壓縮恢復(fù)光學(xué)照片。（d) 不同濕態(tài)PACH沿垂直方向的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（e) 不同PACH在垂直和水平方向的收縮率。（f) PACH2和PACH-c的飽和含水量及溶脹時(shí)間。（g) PACH2釋水與吸水過(guò)程的光學(xué)圖片。

圖3：PACH的光熱轉(zhuǎn)換與水蒸發(fā)性能。
（a) 太陽(yáng)能蒸汽蒸發(fā)器示意圖。（b) 濕態(tài)PACH2和PAH的紫外-可見-近紅外光譜。（c) 濕態(tài)PACH2在1個(gè)太陽(yáng)光照下溫度隨時(shí)間變化的曲線。（d) PAH、PACH-r和PACH2在1個(gè)太陽(yáng)光照下的水質(zhì)量變化。（e) 純水及不同PACH在1個(gè)太陽(yáng)光照下的水質(zhì)量變化。（f) 水和不同PACH在黑暗條件下的水蒸發(fā)速率。（g) 水和不同PACH的等效汽化焓。（h) 不同高度PACH2在1個(gè)太陽(yáng)光照下的水質(zhì)量變化。（i) PACH3在純水中進(jìn)行15次循環(huán)（每次1小時(shí)，間隔5分鐘）的穩(wěn)定性測(cè)試。（j) PACH3在3.5 wt.% NaCl溶液中連續(xù)5天（每天8小時(shí)）在1個(gè)太陽(yáng)光照下的水質(zhì)量變化。（k) PACH和PACH-c在濕土中隨時(shí)間變化的膨脹率曲線。比例尺：1 cm。（l) PACH在濕土中于1個(gè)太陽(yáng)光照下的質(zhì)量變化。

圖4：PACH的自適應(yīng)與水凈化性能。
（a) 菲涅爾透鏡輔助太陽(yáng)能水蒸發(fā)器示意圖。（b) PACH3在不同太陽(yáng)光強(qiáng)度下的水質(zhì)量變化。（c) PACH3在不同太陽(yáng)光強(qiáng)度下收縮的光學(xué)照片。比例尺：1 cm。（d) PACH內(nèi)部彈性通道收縮示意圖。比例尺：50 μm。（e) 不同樣品在不同太陽(yáng)光強(qiáng)度下的蒸發(fā)速率。（f) PACH3底部與主體水面不同高度差下，在1個(gè)和3個(gè)太陽(yáng)光照下的收縮率。（g) PACH3與其他已報(bào)道蒸發(fā)器在不同太陽(yáng)光強(qiáng)度下的太陽(yáng)能蒸汽產(chǎn)生速率對(duì)比。（h) 菲涅爾透鏡輔助下PACH3在不同光強(qiáng)度下的蒸發(fā)速率。（i) PACH3在3.5 wt.% NaCl溶液中于10個(gè)太陽(yáng)光照下8小時(shí)的質(zhì)量變化。（j) PACH3在10個(gè)太陽(yáng)光照下的表面溫度曲線。（k) PACH3在10個(gè)太陽(yáng)光照下表面鹽分沉淀與再溶解的光學(xué)照片。（l) 原始海水與淡化水中的離子濃度對(duì)比。（m) 太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)脫鹽過(guò)程對(duì)海水中各離子的去除效率。

圖5：PACH用于高效集霧、釋水及水凈化的應(yīng)用。
（a) PACH蒸發(fā)器從霧氣中收集水的示意圖。（b) PACH的光學(xué)照片：(i) 集霧實(shí)驗(yàn)前，(ii) 2小時(shí)集霧實(shí)驗(yàn)后，(iii) 通過(guò)擠壓從內(nèi)部釋放出的水。（c) PACH薄片的光學(xué)照片：(i) 初始狀態(tài)，(ii) 徑向彎曲，(iii) 對(duì)角彎曲，(iv) 恢復(fù)后狀態(tài)。（d) PACH含水量隨時(shí)間變化的曲線。（e) 通過(guò)集霧并擠壓收集的水中的離子濃度。

03

研究結(jié)論

通過(guò)冰限制低溫聚合法制備了具有垂直排列通道的PACH水凝膠蒸發(fā)器，具有優(yōu)異的光吸收和光熱轉(zhuǎn)換能力。獨(dú)特的海綿狀水傳輸能力和自適應(yīng)收縮-膨脹特性使PACH水凝膠能夠在不同條件下自動(dòng)快速地調(diào)整到最佳結(jié)構(gòu)，從而在1個(gè)太陽(yáng)光照射下實(shí)現(xiàn)3.63 kg m?2 h?1的高效蒸汽產(chǎn)生速率，在聚光透鏡下達(dá)到36.11 kg m?2 h?1。PACH兼具海綿和水凝膠的雙重特性，使其能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異的大氣水分收集和快速釋放性能。這項(xiàng)工作為多功能水凝膠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成型方法提供了新思路。

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DOI:10.1002/adma.202503837

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