AM||冰限制低溫聚合制備具有自適應通道的海綿狀水凝膠用于太陽能水凈化

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研究背景

工業活動的人為擴張加劇了淡水短缺。傳統海水淡化技術（如蒸餾、反滲透和多級閃蒸）的高成本限制了其大規模發展。太陽能驅動界面水蒸發技術作為一種新興的淡水生產技術，因其生產成本低、可再生能源利用和蒸汽產生速率高等優點受到廣泛關注。薄膜、氣凝膠和織物形式的蒸發器已廣泛用于界面蒸發。近年來，聚合物水凝膠因其降低水蒸發焓的能力而備受關注。然而，水分子傾向于強烈地結合到親水性的分子多孔聚合物網絡上，導致水傳輸速率低。在高光強下，由于供水不足，水凝膠會嚴重收縮甚至破裂，這嚴重限制了其實際應用和太陽能驅動界面蒸發技術的發展。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，從而通過毛細管力實現高質量的水傳輸能力。木本植物的木質部中具有長程有序排列的微米級維管結構，可以通過毛細管力將水從根部快速輸送到葉片，甚至可達數十米，以滿足蒸騰需求。因此，構建垂直和微米級的孔結構以利用毛細管力對于實現水凝膠內快速水傳輸至關重要。盡管定向冷凍干燥法可以形成微米級孔結構，但由于水凝膠中聚合物網絡的親水性，吸水后孔壁不可避免地會膨脹，導致孔道堵塞，只剩下分子尺寸的孔，難以發揮毛細管力實現快速水傳輸。因此，在聚合物水凝膠體系中構建具有海綿狀毛細管水傳輸行為的孔結構仍然是一個挑戰。

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

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相關數據

圖1：PACH水凝膠的制備與多級結構。
（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的側視SEM圖像。比例尺：100 μm。（d) 顯示PACH2在水中微米級多孔結構的光學顯微鏡照片。比例尺：100 μm。（e) PACH的小角X射線散射（SAXS）圖案。

圖2：PACH的機械與水傳輸性能。
（a) 不同濕態PACH沿水平方向的壓縮應力-應變曲線。（b) 濕態PACH2沿水平方向進行200次循環的壓縮應力-應變曲線。（c) PACH2和PACH-c沿垂直方向在80%應變下的壓縮恢復光學照片。（d) 不同濕態PACH沿垂直方向的壓縮應力-應變曲線。（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間。（g) PACH2釋水與吸水過程的光學圖片。

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

圖4：PACH的自適應與水凈化性能。
（a) 菲涅爾透鏡輔助太陽能水蒸發器示意圖。（b) PACH3在不同太陽光強度下的水質量變化。（c) PACH3在不同太陽光強度下收縮的光學照片。比例尺：1 cm。（d) PACH內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光強度下的蒸發速率。（f) PACH3底部與主體水面不同高度差下，在1個和3個太陽光照下的收縮率。（g) PACH3與其他已報道蒸發器在不同太陽光強度下的太陽能蒸汽產生速率對比。（h) 菲涅爾透鏡輔助下PACH3在不同光強度下的蒸發速率。（i) PACH3在3.5 wt.% NaCl溶液中于10個太陽光照下8小時的質量變化。（j) PACH3在10個太陽光照下的表面溫度曲線。（k) PACH3在10個太陽光照下表面鹽分沉淀與再溶解的光學照片。（l) 原始海水與淡化水中的離子濃度對比。（m) 太陽能驅動脫鹽過程對海水中各離子的去除效率。

圖5：PACH用于高效集霧、釋水及水凈化的應用。
（a) PACH蒸發器從霧氣中收集水的示意圖。（b) PACH的光學照片：(i) 集霧實驗前，(ii) 2小時集霧實驗后，(iii) 通過擠壓從內部釋放出的水。（c) PACH薄片的光學照片：(i) 初始狀態，(ii) 徑向彎曲，(iii) 對角彎曲，(iv) 恢復后狀態。（d) PACH含水量隨時間變化的曲線。（e) 通過集霧并擠壓收集的水中的離子濃度。

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研究結論

通過冰限制低溫聚合法制備了具有垂直排列通道的PACH水凝膠蒸發器，具有優異的光吸收和光熱轉換能力。獨特的海綿狀水傳輸能力和自適應收縮-膨脹特性使PACH水凝膠能夠在不同條件下自動快速地調整到最佳結構，從而在1個太陽光照射下實現3.63 kg m?2 h?1的高效蒸汽產生速率，在聚光透鏡下達到36.11 kg m?2 h?1。PACH兼具海綿和水凝膠的雙重特性，使其能夠實現優異的大氣水分收集和快速釋放性能。這項工作為多功能水凝膠的結構設計和成型方法提供了新思路。

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DOI:10.1002/adma.202503837

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