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  太陽能海水淡化技術的關鍵是開發高性能的光熱蒸發材料。然而，長時間蒸發后，光熱材料的蒸發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，導致蒸發速率降低。為解決這一問題，目前已經開發了多種策略，包括物理去除、加速溶解、裝置設計、靜電排斥等。其中，在光熱材料中引入聚電解質組分，利用其帶電基團產生靜電排斥作用分離海水中的陰陽離子從而避免析鹽，受到人們的廣泛關注。然而，當前這種光熱材料通常采用二元設計，即光熱組分和聚電解質組分相互獨立，這帶來材料結構復雜、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)是一種帶負電的聚電解質材料，同時還具有寬光譜光吸收性能，已經廣泛應用于光電轉換。近期東華大學陳志鋼和張麗莎教授團隊利用PEDOT:PSS兼作聚電解質和光熱轉換材料，再以聚乙烯醇(PVA)為骨架，制備了一種陰離子型聚電解質光熱水凝膠(APH) (圖1)。

圖1 陰離子型聚電解質基光熱水凝膠(APH)的太陽能海水蒸發示意圖

  APH具有多孔結構，在380-2500 nm范圍內的太陽光吸收效率高達95.5%。被水潤濕后，APH中的界面水蒸發焓僅有1624.14 kJ kg^-1，明顯低于純水的蒸發焓(2418.11 kJ kg^-1)，主要是由于PEDOT:PSS中的SO^3-和PVA骨架中大量OH^-能與水分子發生作用，導致中間水/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的蒸發速率高達2.5 kg m^-2 h^-1 (圖2)，海水蒸發效率為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^-)，有效避免了在蒸發界面析鹽(圖3)，便于長期高效地蒸發海水。

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)、蒸發質量(b)和蒸發率(c)；(d)不同交聯劑含量的APH-3的蒸發質量變化

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

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

  該工作第一作者為東華大學材料學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陳志鋼教授和張麗莎教授。該項研究得到國家自然科學基金、上海市科學技術委員、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，發展了柔性可清洗的光熱蒸發織物(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系統(Adv. Funct. Mater.2019, 29, 1905485)、向光型蒸發系統(ACS Nano, 2021, 15, 13007)和垂直對稱的可翻轉蒸發系統(Desalination, 2021, 509, 115072)，為太陽能海水淡化技術的實際應用打下基礎。

  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  

  課題組網站：https://pilab.dhu.edu.cn/zgchen/main.psp