中科院宁波材料所陈涛研究员课题组在仿生调控砂子用于海水淡化与净水收集方面取得进展

高分子科技

2020-03-12

导读：通过光热高分子材料对天然砂子的仿生改性，赋予其优异的光热转换能力，并结合砂子聚集时会自发形成的可持续供水的毛细孔的特性，发展了一种基于仿生改性砂子聚集体的多功能光热淡水收集器...

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某些地区的淡水资源贫乏，严重制约了社会及经济的进一步发展。传统的淡水收集技术往往需要额外的能源，成本较高。太阳能作为一种清洁、可再生的能源利用方式，对其进行高效开发是一种可尝试的途径。近年来，通过将太阳能转化成热能，进而在远远低于水沸腾的温度下产生蒸汽来进行淡水收集的方式已成为研究热点。其中，该技术的核心在于光热转换材料的蒸发器的开发。然而，当前已发展的光热材料，其原材料存在来源窄、制备复杂、成本高、稳定性低、环境适应性差等问题，限制了光热技术在淡水收集方面的进一步发展。

针对上述问题，中国科学院宁波材料技术与工程研究所陈涛研究员课题组前期研发了一系列用于光热淡水收集的高分子复合材料 (Nano Energy 2019, 60, 841; ACS Appl. Mater. Inter. 2019, 11, 15498; Solar RRL 2019, 3, 1900004; Energy Techno. 2019, 1900787)。这些工作不但提出了一系列制备简单、高转化效率、低成本、高稳定性和环境适应性强的光热材料，而且结合高分子材料固有的柔性、可裁剪、可缝制等特性，并通过简单的方式将二维光热材料转变成三维材料，从而提高了淡水收集能力。

最近，研究人员在前期工作的基础上，受到夏日海边沙滩温度高这一现象的启发，通过光热高分子材料对天然砂子的仿生改性，赋予其优异的光热转换能力，并结合砂子聚集时会自发形成的可持续供水的毛细孔的特性，发展了一种基于仿生改性砂子聚集体的多功能光热淡水收集器（Nano Energy, 2020, 68, 104311），并实现了在多种应用环境中的淡水收集（图1）。天然海砂主要由二氧化硅组成，储量丰富，由于不能成为建筑设施中的结构材料，因此价格低廉。在本研究中，锚定在天然砂子表面的聚多巴胺（PDA）既可以充当红外线吸收剂，又可以充当有效的粘合剂，通过π相互作用和氢键桥接沙子和聚吡咯（PPy），从而形成结构稳定并具有高光热转化能力的黑砂（polypyrrole/polydopamine/sand，PPSD）。此外，砂子的聚集行为使其自发形成微米尺度的自组织孔隙，这样的多孔结构可以进一步产生毛细作用力，将水从沙层底部吸到顶部，这可以用作有效的供水通道（图2）。

图1 a) PPSD的制备示意图；b-e) PPSD实现蒸发、分离及大气水收集机理示意图

图2 a) PPSDs聚集体内自形成孔孔径大小及分布；b) PPSDs聚集体优异的吸水性；c-f )聚吡咯与聚多巴胺分子间作用力及优化结构

得到的PPSDs可进一步用于2D/3D太阳能驱动的界面水净化，在1个太阳下，蒸发速率可达到1.21 kg m^-2 h^-1（图3）。得益于沙子很强的塑形能力，二维平面的PPSDs可简单快速地转变为三维立体的PPSDs，在1个太阳下蒸发速率可提升至1.43 kg m^-2 h^-1（图4）。除了PPSDs能用于传统的光热海水纯化外，其也展示出较强的环境自适应性，能适应多种不同的应用环境（图5）。如当海水遭受城市和工业区的油污染时，若直接将含油污水直接供给蒸发器，会导致蒸发器的污染和蒸发速度的降低。为了实现高效、可持续的净水，PPSDs中聚集形成的微孔可预先有效地分离含油污水，并在随后用于光热蒸发。结果显示，经过预分离后，PPSDs的蒸发速率得到了显著提高，从0.87 kg m^-2 h^-1提升至1.19 kg m^-2 h^-1（图5）。另外，在一些内陆的干旱地区或沙漠中，没有直接可见的水源，绝大部分水汽分布在空气中。由于FeCl₃的掺杂，以及在内部毛细作用力的协同作用下，PPSDs可以先吸收大气中的水分，随后在太阳光的驱动下，原位进行光热蒸发而获得淡水。在实际的户外大气淡水收集实验中，PPSDs的日均净水收集能力约为1.13 kg m^-2，远高于纯砂子收集能力（约0.07 kg m^-2）。因此，该多功能PPSDs聚集体的概念为实现在多变的应用环境中对环境适应的淡水收集提供了一条新的途径。