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近期，浙(zhe)江大學(xue)徐志康帶領的(de)聚合物分離(li)膜(mo)及其表界面工程研究(jiu)團隊采(cai)用取向冷(leng)卻(que)結晶(jing)模板法制備了PVDF膜(mo)，再(zai)經(jing)過多步反應最(zui)終獲得(de)了具有不對稱親/疏水性的(de)光熱“兩(liang)面神”膜(mo)。在(zai)(zai)海水淡化方面具有優良(liang)性能，為(wei)(wei)緩解淡水危(wei)機提供了一種綠色、高效的(de)解決方案。相關研究(jiu)以“Janus Poly (Vinylidene Fluoride)Membranes with Penetrative Pores for Photo thermal Desalination”為(wei)(wei)題(ti)發表在(zai)(zai)Research（2020，DOI：10.34133/2020/3241758）上。該工作(zuo)得(de)到(dao)了國家(jia)自然科學(xue)基金(51673166，51803180)的(de)資(zi)助。

世(shi)界人口(kou)的不斷增加(jia)和城市化(hua)進程的不斷加(jia)快(kuai)，使(shi)得淡水資源短缺日益成為(wei)全球面(mian)臨的嚴峻挑戰。利用清(qing)潔的太(tai)陽(yang)能對海水進行加(jia)熱-蒸發-冷凝，是(shi)獲(huo)取清(qing)潔淡水資源的新途(tu)徑。

近幾年發展(zhan)的(de)(de)太陽(yang)能界(jie)面加熱(re)(re)技術利(li)用(yong)光(guang)(guang)熱(re)(re)轉換材料將吸收(shou)的(de)(de)太陽(yang)光(guang)(guang)能直(zhi)(zhi)接、高(gao)效地轉化為(wei)熱(re)(re)能，并在空氣/水界(jie)面處聚集，能夠有效避(bi)免熱(re)(re)量擴散至水體(ti)，從而獲得較(jiao)高(gao)的(de)(de)海水淡化效率。天然(ran)木材和陽(yang)極氧(yang)化鋁膜具有高(gao)度規(gui)則排列的(de)(de)直(zhi)(zhi)通孔結(jie)構，為(wei)水分蒸(zheng)騰提供(gong)了直(zhi)(zhi)接通道，將它們與光(guang)(guang)熱(re)(re)材料復合(he)所制備的(de)(de)太陽(yang)能蒸(zheng)發器已被嘗試用(yong)于海水淡化。

然而，這些材料不(bu)易加工、難于規(gui)模(mo)(mo)化(hua)制(zhi)備(bei)且不(bu)易調控(kong)孔(kong)結構與性(xing)能(neng)，在實際(ji)應用中仍存在局限性(xing)。直(zhi)接利用商(shang)業化(hua)聚合物多孔(kong)膜為(wei)基體，對(dui)其進行光熱(re)功能(neng)化(hua)改性(xing)來制(zhi)造太陽(yang)能(neng)蒸發器，被認為(wei)是一(yi)種具有規(gui)模(mo)(mo)化(hua)應用前景的方案。

以穩定性優良且商業化程度較(jiao)高的聚偏氟乙(yi)烯(PVDF)膜為(wei)例，通過相分離(li)法(fa)獲(huo)得的雙連續(xu)孔(kong)(kong)道具(ju)有蜿(wan)蜒曲折的特征，相比直通孔(kong)(kong)來說，不(bu)利于水分傳遞(di)和(he)蒸汽逃(tao)逸。因此，調控聚合物膜的孔(kong)(kong)道結構，加快水分傳遞(di)與蒸發(fa)效(xiao)率(lv)，是開發(fa)高性能太陽能蒸發(fa)膜材料的關鍵。

浙江大學徐志康帶領的聚(ju)合物分(fen)離膜(mo)(mo)(mo)及其表(biao)界面工程研(yan)究團隊采用前期(qi)發展的取(qu)向(xiang)冷(leng)卻結晶(jing)模板法(fa)(J.Membr.Sci.,2017,529,47-54;ACSAppl.Mater.&Interfaces,2016,8,14174–14181)，以PVDF為原料，通過構(gou)建雙向(xiang)溫(wen)度梯度誘導(dao)二甲基(ji)砜溶(rong)劑(ji)在(zai)高(gao)分(fen)子基(ji)質中定向(xiang)結晶(jing)，經脫(tuo)除溶(rong)劑(ji)晶(jing)體后所獲得的PVDF膜(mo)(mo)(mo)具有(you)沿膜(mo)(mo)(mo)厚度方向(xiang)高(gao)度取(qu)向(xiang)的貫(guan)穿孔(kong)結構(gou)，且具有(you)不對稱的錐形孔(kong)特征。利用化學氣(qi)相(xiang)沉(chen)積(ji)再將光熱聚(ju)合物聚(ju)吡(bi)咯(ge)(PPy)均勻地沉(chen)積(ji)在(zai)膜(mo)(mo)(mo)孔(kong)壁(bi)表(biao)面，即可(ke)獲得光熱轉(zhuan)換(huan)功能(neng)。

進一步在不對稱表面工程理念(Adv.Mater.Interfaces2020,1902064;J.Mater.Chem.A,2019,7,7907-7917)的指導下對膜進行單側親水化修飾。將膜漂浮在多巴胺水溶液表面，在CuSO₄/H₂O₂(Angew.Chem.Int.Ed.,2016,55,3054-3057)的調控(kong)下，親水(shui)性聚(ju)多巴胺納米涂(tu)層逐漸在膜孔壁(bi)形成，最終獲(huo)得(de)了具有不對稱(cheng)親/疏水(shui)性的光熱“兩面神”膜(圖1)。

圖1：具有直通孔結構(gou)的PVDF光熱“兩面神”膜制備與海水淡化過程示意圖

將該膜的親水側與水接觸，而另一側由于呈疏水性，可使其漂浮于水面。疏水層沉積的PPy可原位將太陽光能轉化為熱能，而親水孔道能夠將水源源不斷地泵送至界面處進行蒸發。利用錐形孔的多級散射效應，該膜可將太陽能利用效率提升至97%，在一個太陽光輻照下(1kW·m^-2)，膜表面溫度迅速(su)升高至41℃。

同時，該膜獨特的直通孔結構為水傳遞和蒸汽逃逸提供了最直接的通道，可實現高達1.08kg·m^-2·h^-1的(de)水蒸發速率(lv)。研究團(tuan)隊進一步(bu)將(jiang)該膜(mo)與(yu)隔熱聚氨酯泡(pao)沫(mo)進行復合(he)，制備(bei)了(le)一種太陽能海水淡化裝置。利用泡(pao)沫(mo)的(de)低熱導率(lv)特性極大地抑制了(le)熱量(liang)向水體擴散，減少了(le)熱量(liang)損耗，其光熱轉(zhuan)換效率(lv)提升至90.2%。

同時，膜與泡沫之間夾層的吸水紙可將水輸送至膜表面進行蒸發，其速率達到1.58kg·m^-2·h^-1。經該裝置對海水進行脫鹽處理后，水中Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺和B³⁺五種(zhong)離子的(de)濃度均降至1ppm以(yi)下，符合世界衛生組織(zhi)頒布的(de)飲用水(shui)(shui)標準，有力地證明了(le)直通孔(kong)“兩面神”膜光熱材料在(zai)海(hai)水(shui)(shui)淡化方(fang)面的(de)優良性能(neng)，為緩解淡水(shui)(shui)危機提供了(le)一種(zhong)綠色、高(gao)效的(de)解決方(fang)案，且膜制備過程簡便可(ke)控(kong)，具有廣(guang)闊的(de)規(gui)模化應用前景。