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某些地區的(de)(de)淡水資源貧乏，嚴重制約了社會及(ji)經(jing)濟的(de)(de)進一步(bu)發(fa)展。傳統的(de)(de)淡水收集技術(shu)往(wang)(wang)往(wang)(wang)需要額(e)外的(de)(de)能(neng)(neng)源，成(cheng)本較高。太陽能(neng)(neng)作為一種清潔、可再生的(de)(de)能(neng)(neng)源利用方式，對其進行高效開發(fa)是(shi)一種可嘗試的(de)(de)途(tu)徑。

近年來，通過將太陽能轉化成熱能，進而在遠遠低于水沸騰的溫度下產生蒸汽來進行淡水收集的方式已成為研究熱點。其中，該技術的核心在于光熱轉換材料的蒸發器的開發。然而，當前已發展的光熱材料，其原材料存在來源窄、制備復雜、成本高、穩定性低、環境適應性差等問題，限制了光熱技術在淡水收集方面的進一步發展。

針(zhen)對上述問題(ti)，中國科學院(yuan)寧波材料技術與工程研究所陳濤研究員課(ke)題(ti)組前期(qi)研發了一系列(lie)用(yong)于光熱淡(dan)水收集(ji)的(de)高分子復合材料(Nano Energy 2019 , 60 , 841 ; ACS Appl.Mater.Inter. 2019,11,15498 ; Solar RRL 2019,3,1900004 ; Energy Techno. 2019 , 1900787)。

這些工作(zuo)不但(dan)提(ti)(ti)出了一系(xi)列制(zhi)(zhi)備(bei)簡(jian)單、高(gao)轉(zhuan)(zhuan)化效率、低成本(ben)、高(gao)穩定性和環境適應性強的(de)光(guang)熱材料，而且(qie)結(jie)合高(gao)分子材料固有的(de)柔性、可(ke)裁剪、可(ke)縫制(zhi)(zhi)等特性，并通過簡(jian)單的(de)方式將二(er)維光(guang)熱材料轉(zhuan)(zhuan)變成三維材料，從而提(ti)(ti)高(gao)了淡水收集能力。

圖1：a)PPSD的制(zhi)備示(shi)意圖；b-e)PPSD實現(xian)蒸(zheng)發、分離及大氣水(shui)收集機理(li)示(shi)意圖

圖2：a)PPSDs聚集(ji)體(ti)內自形(xing)成孔(kong)孔(kong)徑大(da)小及分布；b)PPSDs聚集(ji)體(ti)優異的吸水(shui)性；c-f)聚吡咯與(yu)聚多巴胺分子(zi)間作用力及優化結構(gou)

最近(jin)，研(yan)究(jiu)人員在(zai)前期工(gong)作(zuo)的(de)(de)基礎上，受到夏日(ri)海邊沙(sha)灘溫度高(gao)這(zhe)一現象的(de)(de)啟發(fa)(fa)，通過(guo)光(guang)熱高(gao)分子(zi)(zi)材料對天然(ran)砂(sha)(sha)子(zi)(zi)的(de)(de)仿(fang)生改性，賦予其(qi)優異的(de)(de)光(guang)熱轉(zhuan)換能(neng)力，并結合(he)砂(sha)(sha)子(zi)(zi)聚集(ji)時會自(zi)發(fa)(fa)形(xing)成的(de)(de)可(ke)持續供(gong)水的(de)(de)毛細孔的(de)(de)特性，發(fa)(fa)展了一種(zhong)基于(yu)仿(fang)生改性砂(sha)(sha)子(zi)(zi)聚集(ji)體(ti)的(de)(de)多(duo)功能(neng)光(guang)熱淡水收集(ji)器(qi)（Nano Energy,2020,68,104311），并實(shi)現了在(zai)多(duo)種(zhong)應(ying)用環(huan)境中的(de)(de)淡水收集(ji)（圖(tu)1）。

天然海砂(sha)主要由二氧化硅組成(cheng)，儲量豐(feng)富，由于(yu)不(bu)能成(cheng)為建(jian)筑設施中(zhong)的結(jie)構(gou)材料(liao)，因此價格(ge)低(di)廉(lian)。在本研究中(zhong)，錨(mao)定在天然砂(sha)子(zi)表面的聚(ju)多(duo)巴(ba)胺(an)（PDA）既可以(yi)充當紅外線吸收(shou)劑(ji)，又可以(yi)充當有效的粘(zhan)合劑(ji)，通過π相互作用和氫鍵橋接沙子(zi)和聚(ju)吡咯（PPy），從而形成(cheng)結(jie)構(gou)穩定并具(ju)有高(gao)光熱轉化能力的黑砂(sha)（polypyrrole/polydopamine/sand，PPSD）。

此外(wai)，砂子的(de)聚集(ji)行為使其自發(fa)形成微米尺度的(de)自組(zu)織孔隙(xi)，這(zhe)樣的(de)多(duo)孔結(jie)構可(ke)(ke)以進一步(bu)產生毛(mao)細作用力(li)，將水(shui)從沙層底部吸到頂部，這(zhe)可(ke)(ke)以用作有效的(de)供水(shui)通道（圖(tu)2）。

圖3：PPSDs用于(yu)光熱水蒸發性能表征及其機理模型(xing)討(tao)論(lun)

圖4：a-b)三(san)維(wei)PPSDs海水淡化性能(neng)增強機理(li)示意(yi)圖；c-g)三(san)維(wei)PPSDs用于光熱海水淡化的性能(neng)表征及與目前所報道的基(ji)于天然材料光熱蒸發器的性能(neng)比較

得到的PPSDs可進一步用于2D/3D太陽能驅動的界面水凈化，在1個太陽下，蒸發速率可達到1.21kgm^-2h^-1（圖3）。得益于沙子很強的塑形能力，二維平面的PPSDs可簡單快速地轉變為三維立體的PPSDs，在1個太陽下蒸發速率可提升至1.43kgm^-2h^-1（圖4）。

圖5：PPSDs展示出較強的環境(jing)(jing)自適(shi)應(ying)性，能適(shi)應(ying)多(duo)種不(bu)同的應(ying)用環境(jing)(jing)

除了(le)PPSDs能(neng)用于傳統的(de)(de)光(guang)熱海水(shui)純化外(wai)，其也展(zhan)示出較強的(de)(de)環境自適應(ying)性，能(neng)適應(ying)多種不同的(de)(de)應(ying)用環境（圖5）。如當海水(shui)遭(zao)受城市和工業(ye)區的(de)(de)油(you)污染時，若(ruo)直(zhi)接(jie)將含(han)油(you)污水(shui)直(zhi)接(jie)供給蒸發(fa)器(qi)，會導致蒸發(fa)器(qi)的(de)(de)污染和蒸發(fa)速度的(de)(de)降低。為了(le)實現(xian)高效、可(ke)持續(xu)的(de)(de)凈水(shui)，PPSDs中聚集形成的(de)(de)微孔可(ke)預先有效地分離含(han)油(you)污水(shui)，并在隨后用于光(guang)熱蒸發(fa)。

結果顯示，經過預分離后，PPSDs的蒸發速率得到了顯著提高，從0.87kgm^-2h^-1提升至1.19kgm^-2h^-1（圖5）。

另外(wai)，在(zai)(zai)一些內(nei)陸的(de)干旱地(di)區或沙漠(mo)中，沒有直(zhi)接可見的(de)水源，絕大部分(fen)水汽(qi)分(fen)布在(zai)(zai)空氣中。由于FeCl3的(de)摻雜，以及在(zai)(zai)內(nei)部毛(mao)細作用力的(de)協同作用下，PPSDs可以先吸收大氣中的(de)水分(fen)，隨后在(zai)(zai)太陽光的(de)驅動下，原位(wei)進行光熱(re)蒸發而(er)獲得淡水。

在實際的戶外大氣淡水收集實驗中，PPSDs的日均凈水收集能力約為1.13kgm^-2，遠高于純砂子收集能力（約0.07kgm^-2）。因此，該多(duo)功能PPSDs聚集體(ti)的(de)概念為(wei)實現在多(duo)變的(de)應用環境(jing)中對(dui)環境(jing)適應的(de)淡(dan)水收集提供了一條新的(de)途徑。