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海大黄玮/张明鑫 Adv. Mater.:纳米喷剂增强的水簇蒸发加速海水淡化
2025-03-16  来源:高分子科技

  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。


  然而,该领域面临双重物理屏障:一方面,具有强水活化能力的疏水纳米孔道会引发显著的毛细屏障效应,导致水的体相传输速率下降;另一方面,大孔输水结构虽然能维持高流量,但其界面与水分子相互作用有效面积小,无法有效破坏水分子氢键网络,致使蒸发焓仍高达2100 kJ/kg以上。这种传质-活化矛盾具有天然的不可调和性。


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"协同设计理念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;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65118 nm范围内精确调控(PDI<0.2),满足不同基材的界面匹配需求。


  作者采用跨尺度表征技术解析纳米凝胶的独特结构。DLS/SLSRh/Rg1Rg为回转半径)证实中空囊泡结构。SAXS:六方相散射峰(q1:3:2)显示表面存在有序柱状孔,侧长8.5 nmCV-SANS:对比不同D2O/H2O比例的散射曲线,拟合出介孔内径6.2 nm、长度7.6 nm(图1d),且溶剂可渗透孔道,降低SLD差异。


纳米凝胶的结构研究


创新性解决策略与核心优势


  本研究突破传统蒸发材料"一体化"的思维定式,提出界面功能解耦-纳米限域活化协同策略,简化材料多级孔道设计策略,提升水簇蒸发比例。具体如下:


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:


  开发常温喷涂技术(40 mg/cm2负载量),形成纳米级多孔网络,实现气/液双连续传输,避免多层结构的界面热损失。此外,该方案适配多种廉价的商业化多孔材料(水凝胶、木材、滤膜等),大幅度简化蒸发器的制备,并具有较高商业推广价值。


纳米凝胶增强的水簇蒸发机理示意图


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:


  在0.5/1 sun辐照下,NGs@尼龙织物蒸发速率分别达1.58/3.26 kg·m?2·h?1,大幅超越理论极限(1.47 kg·m?2·h?1),蒸发速率提升幅度高达297%/268%。黑暗环境蒸发速率0.87 kg·m?2·h?1,较基材提升171%
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


  该研究由硕士研究生朱海云为第一作者,海南大学黄玮张明鑫副研究员为通讯作者,华南理工大学杨俊升老师在理论计算方面提供了重要指导。相关工作得到了国家自然科学基金(52403088, 52162012)、海南省南海新星 (NHXXRCXM202305)等项目的支持。此外作者特别致谢了中国散裂中子源(SANS)和上海光源(SAXS,BL16B19U2)提供的小角散射测试服务,为该纳米凝胶结构表征提供了重要的技术支持。


  全文链接: 

  https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202419243

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

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