余桂华团队Acc. Chem. Res.综述：水凝胶！一种新型太阳能净化水的材料

【背景介绍】

众所周知，淡水是一种有限的自然资源，但对所有生态系统的生存都至关重要。当今社会，超过30亿人受到淡水短缺的严重影响。更重要的是，随着人口增长、淡水资源污染和气候变化，为人类提供充足和安全的淡水的挑战性也是逐渐增加。因此，开发高效、经济、可扩展的技术来净化大量的海水和废水迫在眉睫。

在近几十年里，各种各样的水净化技术被很好的研究发展。其中，膜过滤和反渗透等基于膜的技术具有成本低、能源效率高等优点，但是也存在生产率低、污染和低盐抑制等问题。然而，太阳能净水是利用太阳能通过蒸发来分离水和杂质，因而利用可持续能源来净化水有助于缓解水资源的短缺。但是太阳能吸收不足和热损失限制了水蒸气的生成速率，从而降低了纯水收率。并且漫射的自然光不能满足快速蒸发水的内在能量需求。因此，开发新型材料平台，同时提供高的太阳能吸收、有效的能源利用以及低的水蒸发的能源需求，有助于实现太阳能水在自然光照下的高效净化。

【成果简介】

近日，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华教授（通讯作者）团队总结并报道了利用水凝胶作为太阳能净水的新型材料。在文中，作者从材料选择、分子工程和结构设计等方面综述了近年来国内外在水凝胶型太阳能净水器方面的研究进展。首先，介绍了由自由水、中间水和束缚水组成的水凝胶中独特的水状态，而中间水减少了水蒸发的能量需求。然后，描述了以水凝胶为基础的太阳能蒸发器的设计原理，其中聚合物网络被定制来调节水的状态。水凝胶中的水状态定义了水的蒸发行为。因此，水凝胶的聚合物网络可以被设计成调节水的状态，从而进一步降低水的蒸发焓。以凝胶化化学为基础，作者还讨论了高效水蒸气生成的水凝胶的合成策略。通过合并与亲水聚合物网络太阳能吸收器，吸收太阳能并转换为热能，该热能可原位用于驱动分子网中所含水的蒸发，并且与水凝胶具有强相互作用的太阳能吸收剂可引导水分子的形成。减少能量损失的微结构，并确保蒸发水的充分水传输。水凝胶表面的工程设计重点是促进水的蒸发，进一步提高太阳能的蒸发效率。水凝胶太阳能蒸发器以亲水聚合物为基本材料，具有防污、选择性和热响应等多种功能，提高了对水的收集和净化能力。总之，该工作希望通过改进水凝胶型太阳能蒸发器的性能、可扩展性、稳定性和可持续性，促进未来使用水凝胶型太阳能蒸发器走向实际应用，以缓解水资源的短缺。该工作以题为“Hydrogels as an Emerging Material Platform for Solar Water Purification”发表在著名期刊“Acc. Chem. Res.”上。

【图文解读】

图一、水凝胶作为高效太阳能净水材料平台的示意图

图二、独特的水凝胶结构

（a）水分子与聚合物链中官能团之间的非共价相互作用；

（b）水凝胶中独特的水态。

图三、合理设计的基于水凝胶的太阳能蒸发器

（a）HNG由分层的多孔结构组成，包括内部间隙、微米通道和分子筛、

（b）典型的SVG系统示意图和水限制策略；

（c）纳米结构水凝胶的SVG速率和效率；

（d）使用HNG脱盐前后的三个人工海水样品的盐度。

图五、基于水凝胶的太阳能蒸发器的性能测试

（a）h-LAH能水合的聚合物网络中水的示意图；

（b）拉曼光谱显示中间水和自由水的拟合峰。

（c-e）不同水含量的h-LAH的DSC曲线饱和水含量h-LAHs中的中间水与游离水之比；

（f）散装水和h-LAH1到h-LAH5中的水的等效水汽化焓。

图六、基于水凝胶的太阳能蒸发器的表面形貌表征

（a）SVG的SH的示意图；

（b）SHs顶层的SEM图像；

（c）通过纳米结构增强蒸发前沿的热通量提高了SVG性能。

图七、基于水凝胶的太阳能蒸发器的实用化功能

（a）水凝胶防污的示意图；

（b）随时间推移在水凝胶中积累的四个初级离子的测量浓度；

（c）长期测试中海水中HNG的SVG率；

（d）比较纯化前后溶液的PH值；

（e）与目前为特定离子设计的技术相比，纯化溶液中的离子残留量；

（f）基于PNPG-F净水器的净水程序，将其浸入污水后吸收大量的净水；

（g）PNPG-F在1太阳辐射下水的质量变化。

图八、总结与展望

【总结】

综上所述，通过基于水凝胶的蒸发器进行界面蒸发的性能优于许多报道的蒸发器，具有明显的优势。另外，通过改变主要的聚合物基体和不同的太阳能吸收剂来控制高SVG率和效率，以及足够的水传输。通过调节聚合物网络与水分子之间的相互作用，可以调节水态以减少水汽化所需的能量。此外，可以修改基于水凝胶的蒸发器的表面形貌，以影响水的蒸发，从而提高热通量。同时基于水凝胶的蒸发器在长期测试中持续使用，并具有出色的稳定性和耐用性。尽管取得了不错的成就，但是如图8所示，在提高水凝胶型太阳能蒸发器的强度仍然面临一些挑战：（1）需要进一步加强探究在水凝胶中的基本蒸发机理；（2）提高水凝胶型太阳能蒸发器在恶劣条件下的稳定性和耐用性；（3）需要进一步的研究来揭示水蒸发的基本机理。

此外，将水凝胶应用于实际的水净化、长期稳定性和大规模制备需要进一步改进。基于水凝胶的太阳蒸发器具有良好的耐盐性能，可以长时间稳定产水。同时，利用更先进的抗菌、自洁和机械结构设计来提高水凝胶的稳定性和耐久性，以适用于不同的水源。结合目前一些有前景的策略将昂贵的聚合物骨架和吸收剂替换成低成本的材料，以实现水凝胶的高产量和大规模制造。
最后，应该探索水凝胶材料的多功能性，并将水凝胶蒸发器集成到水净化系统中。总之，开发具有双重甚至多重功能的太阳能一体化蒸发器是很有前途的。水凝胶型太阳能蒸发器的热定位和热梯度为热电联产提供一种新思路。相信在不久后，具有高性能、可扩展性、稳定性和可持续性的水凝胶型太阳能蒸发器将在实际的水净化市场中发挥重要作用。

文献链接：Hydrogels as an Emerging Material Platform for Solar Water Purification（Acc. Chem. Res., 2019, DOI:10.1021/acs.accounts.9b00455）
信息来源：材料牛