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某些地(di)區的(de)(de)淡水(shui)(shui)資(zi)源(yuan)貧乏，嚴重制約了社會(hui)及經濟的(de)(de)進一(yi)步發展。傳統的(de)(de)淡水(shui)(shui)收集技術往(wang)往(wang)需要額外的(de)(de)能(neng)源(yuan)，成(cheng)本較(jiao)高(gao)。太陽能(neng)作為一(yi)種清潔、可再生的(de)(de)能(neng)源(yuan)利用方式，對其(qi)進行高(gao)效開發是(shi)一(yi)種可嘗試的(de)(de)途(tu)徑。

近年來，通過將太陽能轉化成熱能，進而在遠遠低于水沸騰的溫度下產生蒸汽來進行淡水收集的方式已成為研究熱點。其中，該技術的核心在于光熱轉換材料的蒸發器的開發。然而，當前已發展的光熱材料，其原材料存在來源窄、制備復雜、成本高、穩定性低、環境適應性差等問題，限制了光熱技術在淡水收集方面的進一步發展。

針(zhen)對(dui)上述(shu)問題，中(zhong)國科學院寧波材(cai)料技術與工(gong)程(cheng)研(yan)究所陳濤(tao)研(yan)究員(yuan)課題組前期研(yan)發了一系列(lie)用于光熱淡(dan)水(shui)收集的高分子(zi)復(fu)合材(cai)料(Nano Energy 2019 , 60 , 841 ; ACS Appl.Mater.Inter. 2019,11,15498 ; Solar RRL 2019,3,1900004 ; Energy Techno. 2019 , 1900787)。

這些工作(zuo)不但提出(chu)了一系列制備(bei)簡(jian)單、高(gao)轉(zhuan)化效率、低成本、高(gao)穩(wen)定(ding)性和環境適(shi)應性強(qiang)的(de)光熱(re)材(cai)(cai)料(liao)，而(er)且結合(he)高(gao)分子材(cai)(cai)料(liao)固有的(de)柔(rou)性、可裁剪、可縫(feng)制等特性，并通過簡(jian)單的(de)方式(shi)將二(er)維光熱(re)材(cai)(cai)料(liao)轉(zhuan)變成三維材(cai)(cai)料(liao)，從而(er)提高(gao)了淡水收集能(neng)力。

圖(tu)(tu)1：a)PPSD的制備示意圖(tu)(tu)；b-e)PPSD實現蒸發、分離及大氣水收集機理示意圖(tu)(tu)

圖2：a)PPSDs聚(ju)集(ji)體(ti)內自形成孔(kong)孔(kong)徑大小及(ji)分布(bu)；b)PPSDs聚(ju)集(ji)體(ti)優異的吸水性；c-f)聚(ju)吡咯與聚(ju)多巴胺分子(zi)間作(zuo)用(yong)力及(ji)優化(hua)結構

最近，研究人(ren)員在(zai)前期工作的(de)基礎上，受到夏日(ri)海邊沙灘溫度高這一(yi)現象(xiang)的(de)啟發，通過光(guang)熱(re)高分子材(cai)料對天(tian)然(ran)砂子的(de)仿生改性(xing)，賦(fu)予其優異的(de)光(guang)熱(re)轉換能力，并結合砂子聚集(ji)時會(hui)自發形成(cheng)的(de)可持續供水(shui)的(de)毛細孔的(de)特性(xing)，發展(zhan)了(le)一(yi)種(zhong)(zhong)基于仿生改性(xing)砂子聚集(ji)體的(de)多功能光(guang)熱(re)淡(dan)水(shui)收(shou)集(ji)器（Nano Energy,2020,68,104311），并實現了(le)在(zai)多種(zhong)(zhong)應用環境中的(de)淡(dan)水(shui)收(shou)集(ji)（圖1）。

天然海砂主要由二氧化硅組成，儲(chu)量豐富，由于不能成為建筑(zhu)設施中的(de)結構(gou)材料，因此(ci)價格低廉。在本研究(jiu)中，錨定(ding)在天然砂子(zi)(zi)表面的(de)聚(ju)多巴胺（PDA）既可以充當紅外線(xian)吸收劑，又可以充當有效的(de)粘合劑，通過π相(xiang)互(hu)作用和氫(qing)鍵橋接沙子(zi)(zi)和聚(ju)吡咯（PPy），從而(er)形成結構(gou)穩定(ding)并具(ju)有高光熱(re)轉化能力的(de)黑砂（polypyrrole/polydopamine/sand，PPSD）。

此(ci)外(wai)，砂子的聚集行為使其自發形成微米尺度的自組(zu)織孔(kong)隙，這樣(yang)的多孔(kong)結構(gou)可(ke)以(yi)進一(yi)步產生毛細作用力，將(jiang)水(shui)(shui)從沙層底部吸到頂部，這可(ke)以(yi)用作有效的供水(shui)(shui)通(tong)道（圖2）。

圖3：PPSDs用于光熱(re)水蒸發性(xing)能表征及其機理模型討論

圖4：a-b)三維PPSDs海(hai)水淡(dan)化(hua)性能(neng)增強機理示意圖；c-g)三維PPSDs用于光(guang)熱海(hai)水淡(dan)化(hua)的性能(neng)表征及與目(mu)前所報道的基于天然材料光(guang)熱蒸發器(qi)的性能(neng)比較(jiao)

得到的PPSDs可進一步用于2D/3D太陽能驅動的界面水凈化，在1個太陽下，蒸發速率可達到1.21kgm^-2h^-1（圖3）。得益于沙子很強的塑形能力，二維平面的PPSDs可簡單快速地轉變為三維立體的PPSDs，在1個太陽下蒸發速率可提升至1.43kgm^-2h^-1（圖4）。

圖(tu)5：PPSDs展示出(chu)較強的環境自適應(ying)性，能(neng)適應(ying)多(duo)種不同的應(ying)用(yong)環境

除了PPSDs能用于(yu)傳統的(de)光熱(re)海水純化(hua)外，其也展示出(chu)較強的(de)環境自適應性，能適應多(duo)種不(bu)同的(de)應用環境（圖5）。如當海水遭受城(cheng)市(shi)和工業區的(de)油(you)污(wu)染時，若直接(jie)將含油(you)污(wu)水直接(jie)供給蒸發器(qi)，會導致蒸發器(qi)的(de)污(wu)染和蒸發速(su)度的(de)降低。為了實現高(gao)效、可(ke)持(chi)續的(de)凈水，PPSDs中聚集(ji)形(xing)成的(de)微(wei)孔可(ke)預先有效地分離含油(you)污(wu)水，并在隨后用于(yu)光熱(re)蒸發。

結果顯示，經過預分離后，PPSDs的蒸發速率得到了顯著提高，從0.87kgm^-2h^-1提升至1.19kgm^-2h^-1（圖5）。

另(ling)外，在一(yi)些內(nei)(nei)陸的(de)干旱地區或沙(sha)漠中，沒(mei)有直接可(ke)見的(de)水(shui)源(yuan)，絕大部分水(shui)汽(qi)分布在空氣中。由于FeCl3的(de)摻(chan)雜，以及在內(nei)(nei)部毛細作(zuo)用力的(de)協同(tong)作(zuo)用下(xia)，PPSDs可(ke)以先(xian)吸(xi)收大氣中的(de)水(shui)分，隨(sui)后在太陽光(guang)的(de)驅動下(xia)，原位進行光(guang)熱(re)蒸發(fa)而獲得淡水(shui)。

在實際的戶外大氣淡水收集實驗中，PPSDs的日均凈水收集能力約為1.13kgm^-2，遠高于純砂子收集能力（約0.07kgm^-2）。因此(ci)，該多(duo)功能PPSDs聚集(ji)體的概念為實現在多(duo)變的應(ying)用環境(jing)中對環境(jing)適應(ying)的淡水(shui)收集(ji)提供了一(yi)條新的途徑。