随着人口的快速增长和工业的扩张，淡水供应的不断减少正逐渐成为人类社会面临的最严峻的问题之一。在所有海水淡化方法中，太阳能界面蒸发（SIE）因其可再生能源、低成本效益和环境友好性而受到广泛关注。
近日，苏州大学程丝教授和刘金鑫副教授团队在期刊《Small》上，发表了最新研究成果“Nanofibrous Hydrogel with Highly Salt-Resistant Radial/Vertical-Combined Structure for Efficient Solar Interfacial Evaporation”。苏州大学为第一署名单位，论文第一作者为纺织与工程学院硕士生文勇，通讯作者为程丝教授和刘金鑫副教授。研究通过静电纺丝和冷冻干燥技术，制备出内部定向结构，外侧径向结构的碱解聚丙烯腈(aPAN)纳米纤维/MXene/海藻酸钠(SA)水凝胶。这种径向/定向的组合结构可协同利用定向结构的快速水运输能力和径向结构的优异热约束性能。因此，与单一阵列结构的水凝胶蒸发器相比，所得aPAN/MXene/SA (PMS)复合径向水凝胶表现出更好的蒸发性能。
图1：PMS水凝胶蒸发器的制造。
团队首先通过静电纺丝技术获得了PAN纳米纤维膜，经过碱性处理，使得PAN纳米纤维表面充满亲水官能团。这不仅为后续通过冷冻干燥技术得到的水凝胶提供了纤维骨架，而且还增强了水凝胶的亲水性。而后通过一步冷冻铸造技术构建了具有复合径向结构的纳米纤维水凝胶，其复合结构具有定向的垂直通道促进水分输送，同时，还具有径向结构的热约束能力。在交联后保持原来形貌特征的同时，还会因为离子交联所产生的“蛋壳结构”赋予一定的强度和弹性。
图2：PMS水凝胶的形貌结构。
图2为PMS-4气凝胶状态下的微观结构表征。如图2 a-f可见，PMA的内部呈现中心垂直排列的定向结构，外部为横向通道的径向结构。PMA的顶部SEM图像可见，PMA的结构沿径向呈中心对称模式排列分布（图2 b）。径向通道包含了大量微孔，有助于通道之间的盐和水的运动（图2 c）。PMS-4的中心区域则具有随机孔洞，截面显示其具有与外部不同的垂直孔道（图2 d）。PMA的截面照片和SEM进一步证实（图2 e和h），样品具有中心为垂直排列的通道和两侧外部为水平方向的径向排列通道。此外，将PMA加入到CaCl2溶液中进行离子交联，形成纤维水凝胶，结构未发生改变（图2 i）。
图3：PMS蒸发器的界面蒸发性能及机理分析和蒸发稳定性。
MXene的加入使得PMS-4在250–2500 nm波段的光吸收率达92%（图3 a），且在1 kW m-2辐照下表面温度升至36°C（纯水仅27.2°C），红外成像显示其形成冷蒸发面（30.6°C），减少热损失并利用环境能量（图3 b,c）。蒸发速率随暴露高度增加，2 cm时达4.62 kg m-2 h-1（效率146.57%），归因于更大的侧面吸热面积（图3 d,e）。DSC测试表明PMS-4中水的蒸发焓（1800 J g-1）仅为纯水的75%，得益于亲水基团调控的中间水占比提升（图3 f,g）。长期测试中，PMS-4在3.5 wt% NaCl溶液中保持稳定蒸发（4.62 kg m-2 h-1），7次循环后仍维持高效（4.20±0.42 kg m-2 h-1），证实其耐久性（图3 h,i）
图4：PMS蒸发器的拒盐能力及拒盐机理。
此外， PMS-4在3.5-25 wt% NaCl溶液中表现出优异耐盐性：3.5 wt%溶液12小时无结晶，20 wt%溶液12小时少量结晶，25 wt%溶液10小时开始结晶（图4 a）。其抗盐性能优于多数同类蒸发器（图4 b），归因于复合结构和超亲水基体的协同作用。盐扩散实验证实其垂直孔道可快速迁移盐离子（图4 c）。定向/径向阵列结构通过层状通道实现高效输水（图4 d），内部垂直通道促进盐分回流。在不同盐度（海水至20 wt% NaCl）中均保持稳定蒸发性能（20 wt%时达3.99±0.05 kg m-2 h-1）。淡化后水质符合饮用水标准（图4 f）。PMS-4在速率和效率上具优势（图4 g），得益于定向结构的输水能力和径向结构的热约束效应。与同类蒸发器相比，蒸发性能遥遥领先，归因于复合结构带来的高效水分运输以及热约束。
图5：PMS蒸发器的实际应用。
此外，为了探究PMS-4作为界面蒸发器的实用性，本研究在苏州大学进行了户外实验。PMS-4在户外测试中表现出优异蒸发性能（图5 a）。在30°C以上环境（高于室内26°C），其蒸发速率达6.79 kg m-2h-1，10小时产水量47.91 kg m-2（图5 b）。阴天条件下，2.01 cm²蒸发器仍可产480 g淡水（图5 c）。7天实验显示产水量与辐照度、温度呈正相关（图5 d），性能稳定。但受限于冷凝装置设计，实际产水量仍有提升空间。
本研究验证了所提出的内部纳米结构在提高水凝胶基蒸发器的效率、稳定性和耐盐性方面的功效。创新的PMS-4太阳能蒸发器标志着可持续和高效海水淡化的一个重要里程碑，为全球提供了一个有前途的解决方案。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/smll.202411780
人物简介：
程丝，程丝，苏州大学教授，博士生导师。研究方向为有机/无机功能性纳米纤维复合材料用于柔性传感、海水淡化及电催化析氢等。在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Angew Chem. Int. Ed、Adv. Func. Mater.、Small、Mater. Horiz.和CEJ等期刊上发表SCI论文50余篇。授权发明专利14项。
