某些地區的淡水資源貧乏，嚴重制約了社會及經(jīng)濟的進(jìn)一步發(fā)展。傳統的淡水收集技術往往需要額外的能(néng)源，成(chéng)本較高。太陽能(néng)作爲一種(zhǒng)清潔、可再生的能(néng)源利用方式，對(duì)其進(jìn)行高效開(kāi)發(fā)是一種(zhǒng)可嘗試的途徑。近年來，通過(guò)將(jiāng)太陽能(néng)轉化成(chéng)熱能(néng)，進(jìn)而在遠遠低于水沸騰的溫度下産生蒸汽來進(jìn)行淡水收集的方式已成(chéng)爲研究熱點。其中，該技術的核心在于光熱轉換材料的蒸發(fā)器的開(kāi)發(fā)。然而，當前已發(fā)展的光熱材料，其原材料存在來源窄、制備複雜、成(chéng)本高、穩定性低、環境适應性差等問題，限制了光熱技術在淡水收集方面(miàn)的進(jìn)一步發(fā)展。
針對(duì)上述問題，中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所陳濤研究員課題組前期研發(fā)了一系列用于光熱淡水收集的高分子複合材料 (Nano Energy 2019, 60, 841; ACS Appl. Mater. Inter. 2019, 11, 15498; Solar RRL 2019, 3, 1900004; Energy Techno. 2019, 1900787)。這(zhè)些工作不但提出了一系列制備簡單、高轉化效率、低成(chéng)本、高穩定性和環境适應性強的光熱材料，而且結合高分子材料固有的柔性、可裁剪、可縫制等特性，并通過(guò)簡單的方式將(jiāng)二維光熱材料轉變成(chéng)三維材料，從而提高了淡水收集能(néng)力。
最近，研究人員在前期工作的基礎上，受到夏日海邊沙灘溫度高這(zhè)一現象的啓發(fā)，通過(guò)光熱高分子材料對(duì)天然砂子的仿生改性，賦予其優異的光熱轉換能(néng)力，并結合砂子聚集時會自發(fā)形成(chéng)的可持續供水的毛細孔的特性，發(fā)展了一種(zhǒng)基于仿生改性砂子聚集體的多功能(néng)光熱淡水收集器（Nano Energy, 2020, 68, 104311），并實現了在多種(zhǒng)應用環境中的淡水收集（圖1）。天然海砂主要由二氧化矽組成(chéng)，儲量豐富，由于不能(néng)成(chéng)爲建築設施中的結構材料，因此價格低廉。在本研究中，錨定在天然砂子表面(miàn)的聚多巴胺（PDA）既可以充當紅外線吸收劑，又可以充當有效的粘合劑，通過(guò)π相互作用和氫鍵橋接沙子和聚吡咯（PPy），從而形成(chéng)結構穩定并具有高光熱轉化能(néng)力的黑砂（polypyrrole/polydopamine/sand，PPSD）。此外，砂子的聚集行爲使其自發(fā)形成(chéng)微米尺度的自組織孔隙，這(zhè)樣(yàng)的多孔結構可以進(jìn)一步産生毛細作用力，將(jiāng)水從沙層底部吸到頂部，這(zhè)可以用作有效的供水通道(dào)（圖2）。
得到的PPSDs可進(jìn)一步用于2D/3D太陽能(néng)驅動的界面(miàn)水淨化，在1個太陽下，蒸發(fā)速率可達到1.21 kg m-2 h-1（圖3）。得益于沙子很強的塑形能(néng)力，二維平面(miàn)的PPSDs可簡單快速地轉變爲三維立體的PPSDs，在1個太陽下蒸發(fā)速率可提升至1.43 kg m-2 h-1（圖4）。除了PPSDs能(néng)用于傳統的光熱海水純化外，其也展示出較強的環境自适應性，能(néng)适應多種(zhǒng)不同的應用環境（圖5）。如當海水遭受城市和工業區的油污染時，若直接將(jiāng)含油污水直接供給蒸發(fā)器，會導緻蒸發(fā)器的污染和蒸發(fā)速度的降低。爲了實現高效、可持續的淨水，PPSDs中聚集形成(chéng)的微孔可預先有效地分離含油污水，并在随後(hòu)用于光熱蒸發(fā)。結果顯示，經(jīng)過(guò)預分離後(hòu)，PPSDs的蒸發(fā)速率得到了顯著提高，從0.87 kg m-2 h-1提升至1.19 kg m-2 h-1（圖5）。另外，在一些内陸的幹旱地區或沙漠中，沒(méi)有直接可見的水源，絕大部分水汽分布在空氣中。由于FeCl3的摻雜，以及在内部毛細作用力的協同作用下，PPSDs可以先吸收大氣中的水分，随後(hòu)在太陽光的驅動下，原位進(jìn)行光熱蒸發(fā)而獲得淡水。在實際的戶外大氣淡水收集實驗中，PPSDs的日均淨水收集能(néng)力約爲1.13 kg m-2，遠高于純砂子收集能(néng)力（約0.07 kg m-2）。因此，該多功能(néng)PPSDs聚集體的概念爲實現在多變的應用環境中對(duì)環境适應的淡水收集提供了一條新的途徑。
本研究還(hái)得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（51803226）、中科院前沿科學(xué)重點研究項目（QYZDB-SSW-SLH036）、博士後(hòu)創新人才支持計劃（BX20180321）、中國(guó)博士後(hòu)科學(xué)基金（2018M630695）及甯波市科技局（2018A610108）等項目的資助。
圖1 a) PPSD的制備示意圖； b-e) PPSD實現蒸發(fā)、分離及大氣水收集機理示意圖
圖2 a) PPSDs聚集體内自形成(chéng)孔孔徑大小及分布； b) PPSDs聚集體優異的吸水性；c-f )聚吡咯與聚多巴胺分子間作用力及優化結構
圖3 PPSDs用于光熱水蒸發(fā)性能(néng)表征及其機理模型讨論
圖4 a-b) 三維PPSDs海水淡化性能(néng)增強機理示意圖；c-g) 三維PPSDs用于光熱海水淡化的性能(néng)表征及與目前所報道(dào)的基于天然材料光熱蒸發(fā)器的性能(néng)比較
圖5 PPSDs展示出較強的環境自适應性，能(néng)适應多種(zhǒng)不同的應用環境
（高分子事(shì)業部 倪鋒）
