太阳光一照，清洁水就有了！这种神奇材料，顶刊盘点为你揭秘

淡水短缺是社会发展面临的日益严峻的挑战。据 道，29%的全球人口缺乏安全饮用水，由于人口增长和环境问题，对清洁水的需求仍在增加。特别是在当前冠状病毒疾病(新冠肺炎)疫情爆发的背景下， 与卫生设施相关的清洁水尤为重要。太阳光驱动的水蒸发被认为是利用太阳光作为唯一的能量输入，从海水和废水中生产清洁水的最有前途的技术之一。该技术非常依赖于太阳能吸收器，其作为蒸发器将太阳能转化为热量，以产生蒸汽。为了实现高的水蒸发率和太阳热转换效率，理想的材料应具有广泛的吸收率，以有效利用太阳光谱的大部分，低热导率，以抑制热损失，以及三维(3D)多孔通道，以有效的水传输。迄今为止，科学家们已经开发了各种光热材料，基于碳(如石墨烯或碳纳米管)，聚合物，金属和金属氧化物及其混合材料等。

科学家们近年来不断努力探索，做出了很多突破性的成果，下面就让我们从几篇顶刊来了解近年来光热清洁水产生方面的研究进展。

1、Nature communications：植物叶片启发太阳能驱动的高效净水器

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09535-w

2、Science Advances：高度可水合聚合物 络的光吸收水凝胶用于太阳能水净化

太阳能水蒸发净水是一种很有前途的淡水生产技术。然而，太阳能蒸汽产生是能量密集型的，导致在自然日光下产水量低。因此，开发能够降低水蒸发的能量需求并加速太阳能水净化的新材料是非常需要的。美国德州奥斯汀分校余桂华教授课题组 道了一种由聚乙烯醇和壳聚糖作为水合骨架，聚吡咯作为光吸收剂组成的高水合吸光水凝胶(h-LAH)，它可以使用较少的能量(< 50%的体积水)来蒸发水分。研究证明，提高h-LAH的水合能力可以改变水的状态，并部分活化水，从而促进水的蒸发。h-LAH在1个太阳下将太阳蒸汽的产生率提高到创纪录的约3.6 kg/m2/h。基于h-LAH的太阳能水蒸发还表现出对复杂离子污染物的长期耐久性和防污功能。该研究以题为“Plant leaves inspired sunlight-driven purifier for high-efficiency clean water production ”的论文发表在Science子刊《Science Advances》期刊上。

原文链接:

https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.aaw5484

3、Angew: 具有超亲水性和宽波长光吸收的COF材料用于光热水蒸发

多孔有机聚合物固有的疏水性和有限的光吸收，特别是在近红外(NIR)区域，是阻碍其在太阳能蒸汽产生 (SSG)中应用的两个瓶颈。吉林大学Xiaoli Yan课题组研究人员开发了一种基于1，4，5，8四(苯氨基)蒽-9，10-二酮(TPAD)的共价有机框架(COF) (TPAD-COF)，其特征在于超亲水性和宽的光吸收，覆盖了SSG从整个紫外/可见到近红外区域。TPAD-COF作为一种不含任何添加剂的高效光热转换材料，表现出1.42 kg/m2/h的出色水分蒸发,并且在1个太阳光强度照射下实现了94%的高能量转换效率。通过螯合BF2分子的合成后修饰，实现了TPAD基COF光吸收范围的进一步扩展。系统的控制实验和分析证实，光热转换材料的亲水性在当前用于光热水蒸发的TPAD基COFs中起着更为主导的作用。这项研究工作以“Superhydrophilic2D Covalent Organic Frameworks as Broadband Absorbers for Efficient Solar Steam Generation”为题发表在国际顶级期刊《Angew. Chem. Int. Ed.》上。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202201900

4、JACS: 亲水-疏水双区域COF/石墨烯水凝胶用于光热水蒸发

太阳能水蒸发是一种可持续的水处理技术，有助于缓解全球缺水问题。然而，这种技术面临着巨大的挑战，因为水蒸发能耗高，蒸发率低。德国柏林工业大学Arne Thomas教授课题组 道了一种共价有机框架(COF)/石墨烯双区域水凝胶，通过简单的原位生长策略在一种材料中实现包含亲水和疏水区域。亲水性COF覆盖了部分疏水性石墨烯区域。通过对两个润湿区域的精确控制，杂化水凝胶显示出有效的采光、可调的润湿性、优化的水含量和降低的水蒸发能量需求。作为太阳能吸收器，双区域水凝胶在1个太阳照射(1kw/m2)下的蒸汽生成率高达3.69 kg/m2/h，与其他先进材料不相上下。此外，这种水凝胶蒸发器可用于从海水和污水中生产饮用水，展示了水处理的潜力。这项研究工作以“A Covalent Organic Framework/Graphene Dual-Region Hydrogel for Enhanced Solar-Driven Water Generation”为题发表在国际顶级期刊《JACS》上。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c11689?ref=pdf

5、Science Advances：睡莲叶片结构启发的高效光热水蒸发器

近年来，界面太阳能蒸汽产生在实现高能量转换效率的海水淡化和废水处理方面显示出巨大的潜力。然而，由于太阳能吸收器上似乎不可避免的污垢或盐的积累，高蒸发率不能保持。随着溶质浓度的增加，降解加速。针对这一问题，南京大学朱嘉教授课题组受睡莲叶片结构启发，设计了一种多级结构（Water-lily-inspired Hierarchical Structure, WHS）的光热-蒸汽转化器件，在处理10 wt%的高浓盐水和30 wt%的污水时，可实现80%的光热转化效率。更值得一提的是，在处理高浓盐水和污水直至蒸发完全（即“零排放”）的过程中，光热转化效率并未出现明显的下降，且表面依旧可以保持洁净。该工作以《A Water-lily-inspired Hierarchical Design for Stable and Efficient Solar Evaporation of High Salinity Brine》为题发表在《Science Advance》上。

原文链接：

https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.aaw7013

6、Nano energy：二硫化钼用于光热水蒸发

迪肯大学前沿材料研究所Lifeng Wan课题组研究人员发展了一系列过渡金属二硫族化合物和富氮氮化物异质结构，通过部分晶体转变用于太阳能水蒸发。特别是，这些先进的2D异质结构在红外范围内表现出增强的光谱吸收，并在不同的溶液中表现出优异的化学稳定性，包括水、酸和碱。更重要的是，由于增强的光谱吸收强度和减少的热损失，MoS2-Mo5N6/三聚氰胺泡沫(MF)的光热装置表现出高蒸发率(2.31kg m-2h-1)和转换效率(106.6%)，分别比MoS2/MF和MF/水的太阳能装置高1.4和4.7倍。这项工作提供了一系列先进的2D-2D TMDs-富氮氮化物异质结构，具有用于太阳能水生成的优异光热性能。这项研究工作以“Advanced 2D–2D heterostructures of transition metal dichalcogenides and nitrogen-rich nitrides for solar water generation”为题发表在国际顶级期刊 《Nano energy》上。

原文链接：

https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S2211285522002737

太阳能光热水蒸发技术有望解决全球清洁水短缺问题，目前需要解决的是光热材料的低成本制备、高效率运行，以及在实际应用环境下使用的稳定性、便携性，期待未来更多成果，早日造福全人类！