淡水短缺是社会发展日益严峻的挑战。据报道，全球29%的人口缺乏安全饮用水，而且由于人口增长和环境问题，对清洁水的需求仍在不断增长。在当前冠状病毒病（新冠病毒肺炎）疫情的背景下，与卫生相关的清洁水尤为重要。太阳能水蒸发被认为是利用阳光作为唯一能源输入，从海水和废水中生产清洁水的最有前景的技术之一。该技术很大程度上依赖于太阳能吸收器，它们充当蒸发器，将太阳能转化为热能，从而产生蒸汽。为了实现较高的水蒸发率和太阳能热转换效率，理想的材料应具有较宽的吸光度范围以有效利用大部分太阳光谱，较低的热导率以抑制热量损失，以及三维（3D）多孔通道以实现高效的水输送。迄今为止，科学家已经开发出各种基于碳（例如石墨烯或碳纳米管）、聚合物、金属和金属氧化物及其混合物等的光热材料。
近年来，科学家们不断努力探索并取得了许多突破，下面我们就从几篇专题论文中了解一下近年来光热洁净水制备的研究进展。
- 《自然通讯》：植物叶片启发太阳能高效净水器
天然维管植物的叶片依靠渗透压差、蒸腾作用和排泄作用，在阳光的驱动下产生大量洁净水。受此启发，清华大学李春课题组的研究人员报道了一种利用阳光驱动的高效净水器。该净水器以超亲水性三聚氰胺泡沫骨架为支撑，外层涂覆有PNIPAm改性石墨烯（PG）过滤膜，其结构为负温响应型聚（N-异丙基丙烯酰胺）水凝胶（PN）。分子动力学模拟和实验结果表明，相对刚性的三聚氰胺骨架的超亲水性显著加快了PNPG-F净水器的溶胀/脱水速率。在相同的阳光照射强度下，这种合理设计的结构通过蒸发和滴加的协同作用，实现了单个PNPG-F从盐水进料中每小时4.2 kg/m²的净水收集量和99%以上的离子去除率。作者设想这种高效的太阳能驱动系统在各种水处理应用中具有巨大的潜力。该研究以“植物叶片启发式太阳能驱动净化器用于高效净水生产”为题，发表于《自然》子刊《自然通讯》。
- 科学进展：用于太阳能水净化的高吸光水凝胶高水合聚合物网络
利用太阳能蒸发水净化水是一项很有前景的淡水生产技术。然而，太阳能蒸汽的产生需要耗能，导致在自然光照射下水产量较低。因此，迫切需要开发能够降低水蒸发能耗并加速太阳能水净化的新材料。美国德克萨斯州奥斯汀的余桂华教授团队报道了一种高水合吸光水凝胶 (h-LAH)，它由聚乙烯醇和壳聚糖作为水合骨架，聚吡咯作为吸光剂组成，能够以更低的能量（小于水体积的 50%）蒸发水分。研究表明，提高 h-LAH 的水合能力可以改变水的状态并部分活化水，从而促进水分蒸发。h-LAH 将太阳能蒸汽产量提高到创纪录的约 3.6 kg/m²/h（单位太阳光下）。基于 h-LAH 的太阳能水蒸发技术还表现出长期耐久性和抗复杂离子污染物的防污性能。该项研究成果以“植物叶片启发阳光驱动的净化器高效生产清洁水”为题发表在《科学进展》子刊上。
- Angew：具有超亲水性和宽波长光吸收的COF材料用于光热水蒸发
多孔有机聚合物固有的疏水性和有限的光吸收，尤其是在近红外 (NIR) 区域的吸收，是阻碍其在太阳能蒸汽发电 (SSG) 中应用的两个瓶颈。吉林大学闫小丽团队的研究人员开发了一种基于 1,4,5,8 四(苯氨基)蒽-9,10-二酮 (TPAD) 的共价有机骨架 (COF) (TPAD-COF)，它具有超亲水性和覆盖整个紫外/可见近红外区域的宽光吸收 SSG。TPAD-COF 是一种高效的光热转换材料，无需任何添加剂，在 1.42 kg/m2/h 的优异水蒸发率和 94% 的高太阳强度辐照下能量转换效率。通过对螯合 BF2 分子进行后合成改性，进一步扩展了基于 TPAD 的 COF 光吸收范围。系统的控制实验和分析证实，在目前用于光热水蒸发的TPAD基COF中，光热转换材料的亲水性起着更主导的作用。该研究成果以“Superhydrophilic2D Covalent Organic Frameworks as Broadband Absorbers for Efficient Solar Steam Generation”为题发表在国际顶级期刊Angewise上。该研究成果发表在国际顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。
- JACS：亲水-疏水双区COF/石墨烯水凝胶用于光热水蒸发
太阳能水蒸发是一种可持续的水处理技术，有助于缓解全球水资源短缺问题。然而，由于水蒸发能耗高、蒸发速率低，该技术面临着巨大的挑战。德国柏林工业大学的 Arne Thomas 教授团队报道了一种共价有机骨架 (COF)/石墨烯双区水凝胶，通过简单的原位生长策略，在一种材料中同时包含亲水区和疏水区。亲水性 COF 覆盖了部分疏水性石墨烯区域。通过精确控制两个润湿区域，这种混合水凝胶表现出有效的光收集、可调的润湿性、优化的含水量以及降低的水蒸发能量需求。作为太阳能吸收器，双区水凝胶在 3.69 次太阳辐射（2kw/m1）下可实现高达 1 kg/m2/h 的蒸汽产生速率，与其他先进材料相当。此外，该水凝胶蒸发器可用于从海水和污水中制备饮用水，展现了水处理的潜力。该研究成果以“A Covalent Organic Framework/Graphene Dual-Region Hydrogel for Enhanced Solar-Driven Water Generation”（共价有机框架/石墨烯双区域水凝胶用于增强太阳能驱动的水生成）为题发表于国际顶级期刊《JACS》。
- 科学进展：受睡莲叶片结构启发的高效光热水蒸发器
近年来，界面太阳能蒸汽生成技术在海水淡化和废水处理中展现出巨大的潜力，可实现高能量转换效率。然而，由于太阳能吸收器上似乎不可避免地会积聚污垢或盐分，因此无法维持较高的蒸发速率。随着溶质浓度的增加，降解速度会加快。针对该问题，南京大学朱佳教授课题组受睡莲叶片结构的启发，设计了一种多级结构（Water-lily-inspired Hierarchical Structure (WHS)）光热-水蒸气转换装置，在处理80 wt%高浓度盐水和10 wt%废水时，可达到30%的光热转换效率。值得一提的是，在处理高浓度盐水和废水过程中，光热转换效率不会明显下降，直至蒸发完全（即“零排放”），表面仍保持清洁。该研究以“A Water-lily-inspired Hierarchical Design for Stable and Efficient Solar Evaporation of High Salinity Brine”为题发表在Science Advance杂志上。
- 纳米能源：二硫化钼用于光热水蒸发
迪肯大学前沿材料研究所万立峰课题组的研究人员开发了一系列过渡金属二硫化物和富氮氮化物异质结构，用于通过部分晶体转变实现太阳能水蒸发。这些先进的二维异质结构在红外波段表现出增强的光谱吸收，并且在包括水、酸和碱在内的不同溶液中具有优异的化学稳定性。更重要的是，由于光谱吸收强度的增强和热损失的降低，MoS2-Mo5N6/三聚氰胺泡沫（MF）太阳能热器件的蒸发速率（2.31 kg m-2h-1）和转换效率（106.6%）分别比MoS2/MF和MF/水太阳能器件高1.4倍和4.7倍。这项工作提供了一系列具有优异光热性能的先进二维-二维过渡金属二硫化物-富氮氮化物异质结构，可用于太阳能制水。这项研究成果发表在国际顶级期刊《纳米能源》上，标题为“用于太阳能制水的过渡金属二硫化物和富氮氮化物的先进二维-二维异质结构”。
太阳能光热水蒸发技术有望解决全球清洁水资源短缺问题，目前需要解决的是光热材料的低成本制备、高效运行，以及在实际应用环境中的稳定性和便携性，期待未来有更多成果早日造福全人类！
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