淡水短缺是社會發展面臨的日益嚴峻的挑戰。據悉，全球29%的人口缺乏安全飲用水，且受人口成長和環境問題影響，對清潔水的需求仍在增加。在目前冠狀病毒病（新冠病毒肺炎）爆發的背景下，與衛生相關的清潔水尤其重要。太陽能水蒸發被認為是利用陽光作為唯一能源輸入，從海水和廢水中生產清潔水的最有前途的技術之一。該技術很大程度上依賴太陽能吸收器，它充當蒸發器，將太陽能轉化為熱量，產生蒸汽。為了實現較高的水蒸發率和太陽熱轉換效率，理想的材料應具有較寬的吸光度範圍，以有效利用大部分太陽光譜，低熱導率以抑制熱量損失，以及三維（3D）多孔通道以實現高效的水運輸。到目前為止，科學家已經開發出基於碳（例如石墨烯或碳奈米管）、聚合物、金屬和金屬氧化物及其混合物等各種光熱材料。
近年來，科學家們不斷努力探索並取得了許多突破，以下我們就從幾篇專題論文中了解近年來光熱潔淨水製備的研究進展。
- 《自然通訊》：植物葉片啟發太陽能高效淨水器
天然維管束植物的葉片依靠滲透壓差、蒸騰作用和排泄作用，在陽光的驅動下產生大量潔淨水。受此啟發，清華大學李春課題組的研究人員報告了一種利用陽光驅動的高效淨水器。此淨水器以超親水性三聚氰胺泡棉骨架為支撐，外層塗覆有PNIPAm改質石墨烯（PG）過濾膜，其結構為負溫響應型聚（N-異丙基丙烯醯胺）水凝膠（PN）。分子動力學模擬和實驗結果表明，相對剛性的三聚氰胺骨架的超親水性顯著加快了PNPG-F淨水器的溶脹/脫水速率。在相同的陽光照射強度下，這種合理設計的結構透過蒸發和滴加的協同作用，實現了單一PNPG-F從鹽水進料中每小時4.2 kg/m²的淨水收集量和99%以上的離子去除率。作者設想這種高效能的太陽能驅動系統在各種水處理應用中具有巨大的潛力。該研究以「植物葉片啟發式太陽能驅動淨化器用於高效淨水生產」為題，發表於《自然》子刊《自然通訊》。
- 科學進展：用於太陽能水淨化的高吸光水凝膠高水合聚合物網絡
利用太陽能蒸發水淨化水是一種很有前景的淡水生產技術。然而，太陽能蒸氣生成需要大量能源，導致在自然日光下產水量較低。因此，迫切需要開發能夠減少水蒸發能量需求並加速太陽能水淨化的新材料。美國德州奧斯汀的餘桂華教授團隊報告了一種高水合吸光水凝膠（h-LAH），它以聚乙烯醇和殼聚醣為水合主鏈，聚吡咯為吸光劑，可以使用較少的能量（<水體積的50%）來蒸發水分。結果表明，提高h-LAH的水合能力可以改變水的狀態，部分活化水，從而促進水的蒸發。 h-LAH 將太陽蒸汽產量提高到創紀錄的每 3.6 個太陽光下約 2 kg/m1/h 的水平。基於 h-LAH 的太陽能水蒸發也表現出了針對複雜離子污染物的長期耐久性和防污性能。這項研究成果以「植物葉片啟發陽光驅動的淨化器高效生產清潔水」為題發表在《科學進展》子刊上。
- Angew：具有超親水性和寬波長光吸收的COF材料用於光熱水蒸發
多孔有機聚合物固有的疏水性和有限的光吸收（尤其是在近紅外線（NIR）區域）是阻礙其在太陽能蒸汽發電（SSG）中應用的兩個瓶頸。吉林大學閔曉麗課題組研究人員開發了一種基於1,4,5,8四(苯氨基)蒽-9,10-二酮(TPAD)的共價有機骨架(COF)(TPAD-COF)，其具有超親水性和寬光吸收特性，覆蓋整個紫外/可見近紅外線區域的SSG。 TPAD-COF作為一種高效的光熱轉換材料，無需任何添加劑，在一次太陽強度照射下表現出1.42 kg/m2/h的優異水蒸發量，並實現了94%的高能量轉換效率。透過螯合BF2分子的後合成改性，進一步擴展了基於TPAD的COF光吸收範圍。系統的控制實驗和分析證實，光熱轉換材料的親水性在目前用於光熱水蒸發的基於TPAD的COF中起著更主導的作用。研究成果以「超親水二維共價有機框架作為高效能太陽能蒸汽生成寬頻吸收劑」為題發表在國際頂尖期刊Angewise上。該研究成果發表於國際頂尖期刊Angew.化學國際化編輯
- JACS：親水-疏水雙區COF/石墨烯水凝膠用於光熱水蒸發
太陽能水蒸發是一種永續的水處理技術，可以幫助緩解全球水資源短缺。但由於水蒸發能耗高、蒸發速率低，該技術面臨極大挑戰。德國柏林工業大學Arne Thomas教授團隊報告了一種共價有機骨架（COF）/石墨烯雙區水凝膠，透過簡單的原位生長策略，在一種材料中同時包含親水區和疏水區。親水性COF覆蓋了部分疏水性石墨烯區域。透過精確控制兩個潤濕區域，混合水凝膠表現出有效的光收集、可調節的潤濕性、優化的含水量以及降低的水蒸發能量需求。作為太陽能吸收器，雙區水凝膠在3.69次太陽輻射（2kw/m1）下達到高達1kg/m2/h的蒸汽產生率，可與其他先進材料相媲美。此外，該水凝膠蒸發器可用於從海水和污水中生產飲用水，並展示了水處理的潛力。研究成果以「A Covalent Organic Framework/Graphene Dual-Region Hydrogel for Enhanced Solar-Driven Water Generation」為題發表於國際頂尖期刊JACS。
- 科學進展：受睡蓮葉片結構啟發的高效能光熱水蒸發器
近年來，界面太陽能蒸汽生成在實現海水淡化和廢水處理的高能量轉換效率方面顯示出巨大的潛力。然而，由於太陽能吸收器上不可避免地會積聚污垢或鹽分，因此無法維持較高的蒸發率。隨著溶質濃度的增加，降解速度加快。針對此問題，南京大學朱佳教授課題組受睡蓮葉片結構的啟發，設計了一種多級結構（Water-lily-inspired Hierarchical Structure (WHS)）光熱-水蒸氣轉換裝置，在處理80 wt%高濃度鹽水和10 wt%廢水時，可達到30%的光熱轉換效率。值得一提的是，在處理高濃度鹽水和廢水過程中，光熱轉換效率不會明顯下降，直到蒸發完全（即「零排放」），表面仍保持清潔。該研究以「A Water-lily-inspired Hierarchical Design for Stable and Efficient Solar Evaporation of High Salinity Brine」為題發表在Science Advance雜誌上。
- 奈米能源：二硫化鉬用於光熱水蒸發
迪肯大學前沿材料研究所萬立峰課題組的研究人員開發了一系列過渡金屬二硫化物和富氮氮化物異質結構，用於透過部分晶體轉變實現太陽能水蒸發。這些先進的二維異質結構在紅外線波段表現出增強的光譜吸收，並且在包括水、酸和鹼在內的不同溶液中具有優異的化學穩定性。更重要的是，由於光譜吸收強度的增強和熱損失的降低，MoS2-Mo5N6/三聚氰胺泡沫（MF）太陽能熱元件的蒸發速率（2.31 kg m-2h-1）和轉換效率（106.6%）分別比MoS2/MF和MF/水倍器件高1.4倍和4.7。這項工作提供了一系列具有優異光熱性能的先進二維-二維過渡金屬二硫化物-富氮氮化物異質結構，可用於太陽能製水。這項研究成果發表在國際頂尖期刊《奈米能源》上，標題為「用於太陽能製水的過渡金屬二硫化物和富氮氮化物的先進二維-二維異質結構」。
太陽能光熱水蒸發技術可望解決全球清潔水資源短缺問題，目前需要解決的是光熱材料的低成本製備、高效運行，以及在實際應用環境中的穩定性和便攜性，期待未來有更多成果早日造福全人類！
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