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  太陽能海水淡化技術(shù)的關(guān)鍵是開發(fā)高性能的光熱蒸發(fā)材料。然而，長時間蒸發(fā)后，光熱材料的蒸發(fā)面往往會有大量海鹽析出，形成的鹽層會反射陽光和阻擋蒸汽逸出，導(dǎo)致蒸發(fā)速率降低。為解決這一問題，目前已經(jīng)開發(fā)了多種策略，包括物理去除、加速溶解、裝置設(shè)計、靜電排斥等。其中，在光熱材料中引入聚電解質(zhì)組分，利用其帶電基團產(chǎn)生靜電排斥作用分離海水中的陰陽離子從而避免析鹽，受到人們的廣泛關(guān)注。然而，當(dāng)前這種光熱材料通常采用二元設(shè)計，即光熱組分和聚電解質(zhì)組分相互獨立，這帶來材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成分不均勻和吸水能力弱等問題。

  聚(3,4-亞乙基二氧噻吩：對苯乙烯磺酸鈉) (PEDOT:PSS)是一種帶負(fù)電的聚電解質(zhì)材料，同時還具有寬光譜光吸收性能，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光電轉(zhuǎn)換。近期東華大學(xué)陳志鋼和張麗莎教授團隊利用PEDOT:PSS兼作聚電解質(zhì)和光熱轉(zhuǎn)換材料，再以聚乙烯醇(PVA)為骨架，制備了一種陰離子型聚電解質(zhì)光熱水凝膠(APH) (圖1)。

圖1 陰離子型聚電解質(zhì)基光熱水凝膠(APH)的太陽能海水蒸發(fā)示意圖

  APH具有多孔結(jié)構(gòu)，在380-2500 nm范圍內(nèi)的太陽光吸收效率高達95.5%。被水潤濕后，APH中的界面水蒸發(fā)焓僅有1624.14 kJ kg^-1，明顯低于純水的蒸發(fā)焓(2418.11 kJ kg^-1)，主要是由于PEDOT:PSS中的SO^3-和PVA骨架中大量OH^-能與水分子發(fā)生作用，導(dǎo)致中間水/自由水比率高達2.27:1。在模擬太陽光(1.0 kW m^-2)的照射下，APH的蒸發(fā)速率高達2.5 kg m^-2 h^-1 (圖2)，海水蒸發(fā)效率為90.7%。重要的是，APH中的陰離子基團(例如SO^3-)能排斥海水中的陰離子(例如Cl^-)，有效避免了在蒸發(fā)界面析鹽(圖3)，便于長期高效地蒸發(fā)海水。

圖2 模擬陽光(1.0 kW m^-2)下NaCl溶液(3.5 wt%)和不同水凝膠樣品的平均表面溫度(a)、蒸發(fā)質(zhì)量(b)和蒸發(fā)率(c)；(d)不同交聯(lián)劑含量的APH-3的蒸發(fā)質(zhì)量變化

圖3 在1.0 kW m^?2光照下，APH-3在3.5 wt% NaCl溶液中蒸發(fā)48 h后的照片(a)和蒸發(fā)速率(b)

  該工作以“Polyelectrolyte-based photothermal hydrogel with low evaporation enthalpy for solar-driven salt-tolerant desalination”為題發(fā)表在國際知名期刊《Chemical Engineering Journal》。

  該工作第一作者為東華大學(xué)材料學(xué)院碩士研究生李聰聰，共同第一作者為博士生朱波和劉子瀟，通訊作者為東華大學(xué)陳志鋼教授和張麗莎教授。該項研究得到國家自然科學(xué)基金、上海市科學(xué)技術(shù)委員、上海市教育委員會等項目的資助。該團隊在過去三年中，針對海水淡化中的海鹽積累與析出等問題，發(fā)展了柔性可清洗的光熱蒸發(fā)織物(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 35005; Desalination, 2019, 462, 29)，不析鹽的光熱織物基懸掛型蒸發(fā)系統(tǒng)(Adv. Funct. Mater.2019, 29, 1905485)、向光型蒸發(fā)系統(tǒng)(ACS Nano, 2021, 15, 13007)和垂直對稱的可翻轉(zhuǎn)蒸發(fā)系統(tǒng)(Desalination, 2021, 509, 115072)，為太陽能海水淡化技術(shù)的實際應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

  論文信息：Congcong Li, Bo Zhu, Zixiao Liu, Jiangtong Zhao, Ruru Meng, Lisha Zhang* and Zhigang Chen*. Polyelectrolyte-based photothermal hydrogel with low evaporation enthalpy for solar-driven salt-tolerant desalination. Chem. Eng. J. 2022, 431, 134224.

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.134224  

  課題組網(wǎng)站：https://pilab.dhu.edu.cn/zgchen/main.psp