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海大黃瑋/張明鑫 Adv. Mater.:納米噴劑增強的水簇蒸發(fā)加速海水淡化
2025-03-16  來源:高分子科技

  物質(zhì)相變過程中的液態(tài)水-氣態(tài)水轉(zhuǎn)化機制,是維系地球水循環(huán)與工業(yè)流程優(yōu)化的物理基礎(chǔ)。通過調(diào)控水分子界面行為,加速太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā),成為低能耗地解決全球淡水資源短缺的可行技術(shù)路徑。其核心突破點在于:當(dāng)水分子在納米限域空間中形成亞穩(wěn)態(tài)簇狀結(jié)構(gòu)(水活化)時,氫鍵重構(gòu)可使相變所需活化能降低34.7%,這種非經(jīng)典蒸發(fā)路徑為突破傳統(tǒng)熱力學(xué)限制提供了新可能。


  然而,該領(lǐng)域面臨雙重物理屏障:一方面,具有強水活化能力的疏水納米孔道會引發(fā)顯著的毛細屏障效應(yīng),導(dǎo)致水的體相傳輸速率下降;另一方面,大孔輸水結(jié)構(gòu)雖然能維持高流量,但其界面與水分子相互作用有效面積小,無法有效破壞水分子氫鍵網(wǎng)絡(luò),致使蒸發(fā)焓仍高達2100 kJ/kg以上。這種傳質(zhì)-活化矛盾具有天然的不可調(diào)和性。


將輸水通道與蒸發(fā)界面解耦升級蒸發(fā)界面的通用方法示意圖


  針對這一跨尺度難題,海南大學(xué)黃瑋和張明鑫等人開創(chuàng)性地提出"界面功能解耦-納米限域活化"協(xié)同設(shè)計理念采用生物質(zhì)衍生的瓊脂多糖構(gòu)建具有水簇模板功能的介孔納米凝膠;開發(fā)簡易噴涂技術(shù),將納米凝膠噴涂于商業(yè)化的傳水基材表面,形成厚度可控的功能界面層。這種分級結(jié)構(gòu)設(shè)計成功將輸水通道(基材層)與活化界面(納米凝膠)的空間解耦,界面水蒸發(fā)速率提升幅度最高可達297%。普通的廉價無紡布材料,經(jīng)過噴涂該納米噴劑后,在一個太陽光輻照強度下,其界面蒸發(fā)速率可大幅提升至3.26 kg m-2 h-1


納米凝膠的多級結(jié)構(gòu)


  作者通過分子自組裝技術(shù)構(gòu)建了瓊脂基納米凝膠(NGs),其核心創(chuàng)新在于 疏水介孔與親水基質(zhì)的協(xié)同設(shè)計。以硅油(疏水相)和瓊脂(親水相)為原料,通過高溫乳化-冷卻自組裝形成囊泡結(jié)構(gòu)。硅油作為致孔劑,在溶劑萃取后形成疏水介孔通道(孔徑6.2 nm),而瓊脂網(wǎng)絡(luò)提供親水基質(zhì),確保水分子快速滲透。通過調(diào)節(jié)瓊脂濃度與混合比例,納米凝膠的流體力學(xué)半徑(Rh)可在65118 nm范圍內(nèi)精確調(diào)控(PDI<0.2),滿足不同基材的界面匹配需求。


  作者采用跨尺度表征技術(shù)解析納米凝膠的獨特結(jié)構(gòu)。DLS/SLSRh/Rg1Rg為回轉(zhuǎn)半徑)證實中空囊泡結(jié)構(gòu)。SAXS:六方相散射峰(q1:3:2)顯示表面存在有序柱狀孔,側(cè)長8.5 nmCV-SANS:對比不同D2O/H2O比例的散射曲線,擬合出介孔內(nèi)徑6.2 nm、長度7.6 nm(圖1d),且溶劑可滲透孔道,降低SLD差異。


納米凝膠的結(jié)構(gòu)研究


創(chuàng)新性解決策略與核心優(yōu)勢


  本研究突破傳統(tǒng)蒸發(fā)材料"一體化"的思維定式,提出界面功能解耦-納米限域活化協(xié)同策略,簡化材料多級孔道設(shè)計策略,提升水簇蒸發(fā)比例。具體如下:


納米噴霧對蒸發(fā)材料的界面改性


1.結(jié)構(gòu)解耦設(shè)計:


  傳水基底層:選用商業(yè)化多孔材料(尼龍織物、輕木等)作為水傳輸主體,利用其固有的大孔結(jié)構(gòu)(平均孔徑150-300 μm)實現(xiàn)高通量輸水。


  水活化功能的蒸發(fā)界面層:噴涂介孔納米凝膠(NGs)構(gòu)建活化界面,該納米凝膠表面具有疏水介孔通道,為水簇形成提供了理想的結(jié)構(gòu)模板,使中間水比例提升至60%


2.納米限域效應(yīng)創(chuàng)新:


  疏水介孔內(nèi)水分子擴散系數(shù)(1.92×10?? m2/s)較親水通道提升3倍,促進水簇從蒸發(fā)界面快速且穩(wěn)定地脫離,降低界面能耗。


3.普適性噴涂工藝:


  開發(fā)常溫噴涂技術(shù)(40 mg/cm2負(fù)載量),形成納米級多孔網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)氣/液雙連續(xù)傳輸,避免多層結(jié)構(gòu)的界面熱損失。此外,該方案適配多種廉價的商業(yè)化多孔材料(水凝膠、木材、濾膜等),大幅度簡化蒸發(fā)器的制備,并具有較高商業(yè)推廣價值。


納米凝膠增強的水簇蒸發(fā)機理示意圖


納米噴霧促進水分蒸發(fā)的機理研究


重要研究結(jié)果


  納米凝膠噴涂的蒸發(fā)器表現(xiàn)出卓越的海水淡化性能,表現(xiàn)如下:


  在0.5/1 sun輻照下,NGs@尼龍織物蒸發(fā)速率分別達1.58/3.26 kg·m?2·h?1,大幅超越理論極限(1.47 kg·m?2·h?1),蒸發(fā)速率提升幅度高達297%/268%。黑暗環(huán)境蒸發(fā)速率0.87 kg·m?2·h?1,較基材提升171%
適用于多種常規(guī)基底。作者嘗試了5類基材(包括無紡布、水凝膠、木材、濾膜等),蒸發(fā)速率提升幅度達197-297%7天晝夜循環(huán)后性能保持率>95%5次浸泡-蒸發(fā)循環(huán)后衰減僅14.3%


納米凝膠噴涂的蒸發(fā)器的實用性能


  該研究由碩士研究生朱海云為第一作者,海南大學(xué)黃瑋張明鑫副研究員為通訊作者,華南理工大學(xué)楊俊升老師在理論計算方面提供了重要指導(dǎo)。相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金(52403088, 52162012)、海南省南海新星 (NHXXRCXM202305)等項目的支持。此外作者特別致謝了中國散裂中子源(SANS)和上海光源(SAXS,BL16B19U2)提供的小角散射測試服務(wù),為該納米凝膠結(jié)構(gòu)表征提供了重要的技術(shù)支持。


  全文鏈接: 

  https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202419243

  https://doi.org/10.1002/adma.202419243

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