物质相变过程中的液态水-气态水转化机制,是维系地球水循环与工业流程优化的物理基础。通过调控水分子界面行为,加速太阳能驱动界面水蒸发,成为低能耗地解决全球淡水资源短缺的可行技术路径。其核心突破点在于:当水分子在纳米限域空间中形成亚稳态簇状结构(水活化)时,氢键重构可使相变所需活化能降低34.7%,这种非经典蒸发路径为突破传统热力学限制提供了新可能。
将输水通道与蒸发界面解耦升级蒸发界面的通用方法示意图
针对这一跨尺度难题,海南大学黄玮和张明鑫等人开创性地提出"界面功能解耦-纳米限域活化"的协同设计理念:①采用生物质衍生的琼脂多糖构建具有水簇模板功能的介孔纳米凝胶;②开发简易喷涂技术,将纳米凝胶喷涂于商业化的传水基材表面,形成厚度可控的功能界面层。这种分级结构设计成功将输水通道(基材层)与活化界面(纳米凝胶)的空间解耦,界面水蒸发速率提升幅度最高可达297%。普通的廉价无纺布材料,经过喷涂该纳米喷剂后,在一个太阳光辐照强度下,其界面蒸发速率可大幅提升至3.26 kg m-2 h-1。
纳米凝胶的多级结构
作者通过分子自组装技术构建了琼脂基纳米凝胶(NGs),其核心创新在于 疏水介孔与亲水基质的协同设计。以硅油(疏水相)和琼脂(亲水相)为原料,通过高温乳化-冷却自组装形成囊泡结构。硅油作为致孔剂,在溶剂萃取后形成疏水介孔通道(孔径6.2 nm),而琼脂网络提供亲水基质,确保水分子快速渗透。通过调节琼脂浓度与混合比例,纳米凝胶的流体力学半径(Rh)可在65–118 nm范围内精确调控(PDI<0.2),满足不同基材的界面匹配需求。
纳米凝胶的结构研究
创新性解决策略与核心优势
纳米喷雾对蒸发材料的界面改性
1.结构解耦设计:
传水基底层:选用商业化多孔材料(尼龙织物、轻木等)作为水传输主体,利用其固有的大孔结构(平均孔径150-300 μm)实现高通量输水。
水活化功能的蒸发界面层:喷涂介孔纳米凝胶(NGs)构建活化界面,该纳米凝胶表面具有疏水介孔通道,为水簇形成提供了理想的结构模板,使中间水比例提升至60%。
2.纳米限域效应创新:
疏水介孔内水分子扩散系数(1.92×10?? m2/s)较亲水通道提升3倍,促进水簇从蒸发界面快速且稳定地脱离,降低界面能耗。
3.普适性喷涂工艺:
纳米喷雾促进水分蒸发的机理研究
重要研究结果
纳米凝胶喷涂的蒸发器表现出卓越的海水淡化性能,表现如下:
适用于多种常规基底。作者尝试了5类基材(包括无纺布、水凝胶、木材、滤膜等),蒸发速率提升幅度达197-297%。7天昼夜循环后性能保持率>95%,5次浸泡-蒸发循环后衰减仅14.3%。
纳米凝胶喷涂的蒸发器的实用性能
全文链接:
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202419243
https://doi.org/10.1002/adma.202419243