AFM||通過可調(diào)結構和潤濕性實現(xiàn)的熱自適應界面太陽能蒸發(fā)器，用于實現(xiàn)高效水能與電能的聯(lián)合利用

研究背景

針對當前界面太陽能蒸發(fā)器因缺乏動態(tài)調(diào)節(jié)能力而難以適應復雜環(huán)境變化、易受鹽結晶堵塞及功能單一等問題，本研究提出并構建了一種基于溫度響應性聚合物聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）的熱適應性界面太陽能蒸發(fā)器。通過引入丙烯酸（AA）共聚形成聚（NIPAM-AA）雙網(wǎng)絡體系，有效解決了純PNIPAM機械性能差、結構不穩(wěn)定的缺陷，同時增強了吸水能力和功能可擴展性。進一步采用N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）和瓊脂（AG）構建動態(tài)多網(wǎng)絡結構，精準調(diào)控聚合物鏈的運動自由度，在保留溫度敏感性的前提下確保結構穩(wěn)定與機械韌性。為優(yōu)化光熱轉換性能，引入原位生長的ZIF-67@CNTs復合材料作為光熱層，利用ZIF-67的多孔結構與Co2+配位效應協(xié)同改善潤濕響應、離子傳輸及耐鹽性能。該蒸發(fā)器利用PNIPAM的低臨界溶解溫度特性，實現(xiàn)低溫（ LCST）時分子內(nèi)氫鍵主導的疏水釋水狀態(tài)之間的可逆轉變，從而動態(tài)調(diào)節(jié)潤濕性與離子濃度，抑制鹽結晶。同時，熱馬蘭戈尼效應與溶質馬蘭戈尼效應協(xié)同作用，利用溫度梯度和濃度差促進離子回流與水分反向傳輸，顯著增強抗鹽穩(wěn)定性。該研究為構建具有環(huán)境自適應能力的高效、穩(wěn)定、多功能太陽能蒸發(fā)器提供了新的設計思路。

基于該設計，這種熱自適應蒸發(fā)器在動態(tài)環(huán)境中實現(xiàn)了性能的自我優(yōu)化。在一個太陽輻射下，蒸發(fā)速率穩(wěn)定在3.88 kg m?2 h?1，輸出功率為103.3 mW/m2。在復雜水處理過程中，亞甲藍染料和乳化廢水的去除效率超過99.9%，顯示出優(yōu)異的實用性。本研究通過雙單體體系和雙交聯(lián)網(wǎng)絡的創(chuàng)新設計，解決了純PNIPAM水凝膠在界面蒸發(fā)應用中的核心缺陷。研究揭示了結構調(diào)控、潤濕優(yōu)化、熱響應特性與水-電解質共產(chǎn)之間的內(nèi)在關系，為高性能界面太陽能蒸發(fā)器的發(fā)展提供了新思路。

相關研究以“Thermo-Adaptive Interfacial Solar Evaporators Enhancedby Tunable Structure and Wettability for High-Efficiency Water and Electricity Cogeneration”為題，發(fā)表在國際知名期刊《Advanced Functional Materials》。（中科院一區(qū)TOP,JCR一區(qū),IF=19）

相關數(shù)據(jù)

圖1.（一）溫度變化引起的氫鍵變化。（a）當溫度降低時，分子間的氫鍵增強，中間水的含量上升。（b）當溫度升高時，分子內(nèi)氫鍵的含量大于分子間氫鍵的含量。 （二）溫度的變化會導致潤濕性發(fā)生變化，進而引起通道內(nèi)離子濃度的變化。（a，b）低溫區(qū)和高溫區(qū)。隨著溫度升高，潤濕性降低，通道內(nèi)的離子濃度也降低。 （三）兩種馬蘭戈尼效應的共同作用增強了蒸發(fā)器的抗鹽性。 （a，b）熱馬蘭戈尼效應和溶質馬蘭戈尼效應。熱馬蘭戈尼效應提高了通過溫度作用的鹽的回流速率。差異。溶質的馬蘭戈尼效應通過在蒸發(fā)過程中形成濃度差，從而提高了水的回流速度。

圖2.（a - d）NA-3、NA-4.5、NA-6 和 NA-7.5 的掃描電子顯微鏡圖像。（e）NAZ 的掃描電子顯微鏡圖像。（f1 - f4）NAZ 的能譜圖像。（g、h）ZIF-67@CNTs 的掃描電子顯微鏡圖像。（i）ZIF-67 的掃描電子顯微鏡圖像。（j）不同單體比例下水凝膠的傅里葉變換紅外光譜圖像。（k）ZIF-67@CNTs、ZIF-67 和 CNTs 的 X 射線衍射圖像。

圖3.(a) PNIPAM、PAA、NAZ 和 NA-6 的 DSC 測試。(b,c) 在低溫和高溫條件下進行的吸水測試。(d) 在低溫和高溫條件下的紅外測試。(e) PNIPAM 和 PAA 在冷、熱條件下的接觸角測試。(f) 溫度變化下構象轉變的機制。圖中顯示的誤差線表示三次測試的標準偏差。

圖4.（a）NAZ-ZC 的水合網(wǎng)絡結構。 （b - d）對 NA-3、NA-4.5、NA-6 和 NA-7 的強度測試、TGA 和 DSC 測試。 （e）NA-3、NA-4.5、NA-6 和 NA-7.5 的 IW/FW 值。 （f，g）對 NA-6 和 NAZ 的拉曼光譜測試。

圖5.（a）蒸發(fā)示意圖。 （b）不同單體比例的水凝膠的蒸發(fā)速率和質量變化。（c）循環(huán)測試。 （d、e）水凝膠內(nèi)部成分與水在低溫和高溫下的相互作用圖。 （f）蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率與 IW/FW 有關。 （g、h）在不同水面暴露高度和太陽輻射強度下蒸發(fā)速率的變化。 （i）NAZ-ZC 與其他現(xiàn)有蒸發(fā)器的比較。 本章中上述所有的蒸發(fā)測試均在 3.5% 重量百分比的 NaCl 溶液條件下進行。 圖中所示的誤差條代表三次測試的標準偏差。

圖6.（a）太陽能轉換示意圖。 （b）水凝膠蒸發(fā)器上部與下部之間的溫差。（c）鹽晶體在 NAZ-ZC 表面發(fā)生回流。（d）鹽耐受機制示意圖。（e、f）NA 通過鹽的運輸示意圖。（g、h）NAZ 通過鹽的運輸示意圖。（i）不同高度的蒸發(fā)速率。（k）鹽耐受和蒸發(fā)穩(wěn)定性測試。（k）循環(huán)測試。（l）接觸角測量。本章中上述所有鹽耐受測試均在 15wt.% 的 NaCl 溶液條件下進行。圖中所示的誤差條代表了三次測試的標準偏差。

圖7.（a）戶外蒸發(fā)裝置。（b）戶外蒸發(fā)測試。 （c，d）水的電阻值和離子濃度測試。（e）水分子和離子在通道中的移動情況。（f）蒸發(fā)發(fā)電裝置的原理圖。 （g，h）開路電壓和電流曲線。（i）高性能水凝膠蒸發(fā)器的對比分析。

研究結論

本研究探討了熱響應性PNIPAM在太陽能蒸發(fā)中的應用。制備的NAZ-ZC水凝膠蒸發(fā)器具有熱響應結構和可調(diào)節(jié)性能。在1個太陽光照射下，可實現(xiàn)穩(wěn)定蒸發(fā)速率為3.88 kg m?2 h?1。它可以在15 wt.% 高濃度鹽水中連續(xù)產(chǎn)生純水達48小時而不產(chǎn)生鹽分積累。亞甲藍染料和乳化廢水的去除率超過99.9%。此外，該蒸發(fā)器可以實現(xiàn)水與電的聯(lián)合生產(chǎn)。在1小時的太陽照射下，最大輸出電壓為104.39 mV，電流為98.98 μA，最大輸出功率為103.3 mW/m2。本研究揭示了PNIPAM的作用機制，并為淡水短缺和廢水處理提供了解決方案。所提出的太陽能水與電聯(lián)合生產(chǎn)方法有望促進技術創(chuàng)新和工業(yè)發(fā)展。

DOI:10.1002/adfm.202529792

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