AM|用于強化水簇蒸發的普適型介孔納米凝膠噴霧界面修飾劑

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研究背景

水蒸發作為自然界與工業過程中普遍存在的物理現象，對光合作用、物料脫水、海水淡化等關鍵過程的效率具有深遠影響。當前，提升蒸發性能的主要途徑在于開發新型蒸發界面材料，其核心目標是通過調控材料結構以降低蒸發焓，實現所謂的“超熱蒸發”。研究指出，在蒸發界面處，多孔材料能夠破壞水分子的氫鍵網絡，促進“中間水”或“水簇”的形成，從而以團簇形式蒸發，顯著減少單位質量水蒸發所需的能量。然而，高性能蒸發器的設計面臨一個根本性的結構矛盾：高效的水分輸送依賴于親水性大孔（>100 nm）產生的強毛細力，而水分子在界面的活化與低焓蒸發則需要大量疏水性的納米孔（<10 nm）作為模板來誘導水簇形成并提供巨大的相互作用面積。這一矛盾使得在單一結構中平衡水分輸送與界面活化需求極具挑戰，嚴重制約了低焓蒸發系統的開發與應用。因此，迫切需要一種能夠解耦水分輸送通道與蒸發界面功能的新策略。

相關工作以Mesoporous Nanogel Sprays as Universal EvaporationInterface Modifiers for Boosting Water-Cluster Evaporation為題發表在《Advanced Materials》期刊上。

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研究內容

本研究圍繞一種新型的介孔納米凝膠噴霧展開，旨在通過一種普適性的界面修飾策略，大幅提升水蒸發效率。研究的核心內容包含三個緊密關聯的部分。首先，在材料設計合成方面，研究團隊運用分子自組裝技術，以瓊脂為基礎，成功構建了具有獨特囊泡結構的納米凝膠。通過精確調控合成參數，該凝膠被賦予了關鍵的內部結構：其囊泡殼層內形成了六方有序堆積的疏水介孔通道（直徑約6.2納米），而整體表面呈現超親水性。這種“外親水、內疏水”的納米結構是實現功能的基礎。其次，在性能驗證方面，研究將這種納米凝膠分散液噴涂于多種常見親水基材（如織物、水凝膠、木材等）表面，并復合光熱層，制備成復合蒸發器。實驗結果表明，經此納米噴霧修飾后，材料在模擬太陽光照射下的蒸發速率得到極大幅度提升（例如在1倍太陽光強下速率達3.26 kg m?2 h?1，提升268%），且該性能提升與凝膠內部的規整介孔結構直接相關。最后，在機理探究方面，研究通過光譜分析（如拉曼光譜）、熱分析技術（如DSC、STA）以及分子動力學模擬，深入揭示了性能提升的本質。研究發現，疏水的納米通道能夠作為模板，有效地將水分子組織成“中間水”或水簇，從而顯著削弱了蒸發所需克服的氫鍵相互作用，降低了蒸發焓。同時，疏水環境促進了水簇的快速擴散與逃逸。綜上所述，該工作不僅開發了一種高效、通用、易于實施的蒸發界面改性方法，更重要的是從微觀機理上闡明了介孔納米結構在促進低焓水簇蒸發中的關鍵作用，為未來高性能蒸發材料的設計提供了清晰的原理指導和新的研究范式。

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研究數據

方案1. 通過解耦水分輸送通道與蒸發界面實現蒸發界面升級的通用方法。

圖1. NGs的結構。a) 樣品的FT-IR光譜，b) NGs的 SAXS 曲線，c) NGs的粒徑分布，d) NG1.0-10在不同比例的水/D2O中的SANS曲線，e) 帶有納米通道的NGs示意圖，f) NG1.0-10的SEM圖片。

圖2. 采用納米噴霧對蒸發材料進行界面改性。a，b) NG1.0-10@fabric 的大規模制備，c) NGs@織物、塊狀瓊脂和織物在1個太陽輻照下的蒸發速率，d) 不同噴霧量NG1.0-10下織物在1個太陽輻照下的蒸發速率，e) 不同輻照強度下織物和 NG1.0-10@fabric 的蒸發速率，f) NG1.0-10@substrates 和基材在1個太陽輻照下的蒸發速率。

圖3. 納米噴霧促進水分蒸發的機制。a) 通過差示掃描量熱法測得的樣品水分蒸發焓，b) 通過靜態熱分析測得的樣品水分蒸發焓，c) 不同納米顆粒和大塊瓊脂凝膠的IW：FW比值，d) 零陽光（暗蒸發）下樣品的蒸發速率，e) 313K下納米通道中的水分蒸發模型，f) 納米限域疏水或親水通道中水分擴散行為的模擬，g) 面料、NG1.0-10和 NG1.0-10@fabric 的吸水時間。

圖4. NGs@基底的實用性。a) NG1.0-10@fabric 與先前報道在0、0.5和1個太陽下的性能比較。綠色背景是常見二維蒸發器的蒸發速率范圍，b) 不同染料溶液（亞甲藍（MB）和蘇丹III）蒸餾前后的紫外-可見吸收光譜，c) 海水淡化前后的離子（Na+、Mg2+、K+和Ca2+）濃度含量，d) NG1.0-10@fabric 蒸發器通過晝夜工作循環7天的循環穩定性，e) NG1.0-10@fabric 蒸發器通過蒸發-浸泡循環5天的循環穩定性。

方案2. NGs與普通凝膠中水簇蒸發的示意圖。

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研究結論

本研究成功開發了一種基于介孔納米凝膠的通用型噴霧，作為高效的蒸發界面修飾劑，為解決上述結構矛盾提供了創新方案。通過分子自組裝技術制備的瓊脂基納米凝膠，具有獨特的超親水外殼與內部疏水介孔通道（約6.2 nm）結構。該結構能有效引導并限制水分子，促進“中間水”和水簇的形成，并通過疏水通道加速其脫離界面，從而將蒸發焓降至約1650 kJ kg?1，遠低于純水的2427 kJ kg?1。當以低劑量（如40 mg cm?2）噴涂于多種親水基材（如尼龍織物、PVA水凝膠、輕木等）表面時，能大幅提升其蒸發性能。在0.5和1個太陽光照強度下，改性后的蒸發器蒸發速率分別達到1.58和3.26 kg m?2 h?1，相比未處理基材提升了高達297%和268%。實驗與分子動力學模擬共同驗證了疏水介孔通道在模板化水簇、削弱水-壁相互作用、從而降低蒸發焓方面的關鍵機制。

該噴霧技術具有制備簡單、成本低廉、與各種形狀和材質的基材兼容性好等優點，在海水淡化（產水符合飲用水標準）、食品脫水、農作物光合作用增強以及工業涂層干燥等領域展現出巨大的應用潛力。本研究不僅提供了一種普適性的高性能蒸發材料制備方法，更重要的是為理解并設計基于水簇蒸發的低焓蒸發系統建立了清晰的結構-性能關系模型，指明了未來研究應聚焦于材料表面納米結構調控的方向。

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https://doi.org/10.1002/adma.202419243

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