自修复亲水多孔光热膜材料助力太阳能水蒸发技术

01活动简介

淡水仅占地球水资源的3%，对人类的生存和社会的发展至关重要。然而，随着人口的增加和持续的环境污染，淡水资源短缺已成为一个全球性的关键问题。

因此，必须开发有效的技术，从海水或污水中分离出纯净的淡水。在所有的水处理技术中，太阳能水蒸发技术引起了广泛的研究和关注。

最近，基于界面的太阳能水蒸发技术被发展。该技术可以减少热量耗散，将更多的热量用于蒸发过程，有效地提升了蒸发效率。

通常，太阳能驱动的界面蒸发由三部分组成：（1）具有宽带光吸收和高光热转换效率的光热层；（2）低导热系数的可浮动支撑层；（3）在支撑层的外部或中间的亲水通道，以确保向光热层部分持续供水。

虽然该技术得到了发展与应用，但是光热层或水通道使用过程中会被刮伤或腐蚀而损坏，不可避免地降低水的蒸发效率。

因此，为了满足实际应用的需求，开发具有稳定水蒸发效率的太阳能驱动界面蒸发器至关重要。

图一 （a）普通界面蒸发装置；（b）可自修复界面蒸发装置

最近，吉林大学李洋课题组在中国化学会主办的CCS chemistry上发表题为“Self-Healing Hydrophilic Porous Photothermal Membranes for Durable and Highly Efficient Solar-Driven Interfacial Water Evaporation”的文章.

首次报道了一种自修复的亲水多孔光热(SHPP)膜的高效太阳能驱动的界面水蒸发。在所有目前报道的具有自修复能力的水蒸发器中，SHPP膜基蒸发器表现出最高的水蒸发速率和光热转化效率。

文章链接

DOI: 10.31635/ccschem.021.202101111

https://doi.org/10.31635/ccschem.021.202101111

02研究内容

通过调整自修复聚合物的亲水性和其他组分的质量比，可以有效地控制SHPP膜的含水量。

从自修复的角度来看，自修复的聚合物通过重组断裂表面之间的氢键，可以使得被破坏的SHPP膜部位结合，实现修复过程。

由于SHPP膜可以同时作为光热层和水的运输通道，因此通过简单的组装，将聚乙烯(PE)泡沫塑料填充SHPP膜，可以很容易地制造出高效的太阳能驱动界面蒸发器。

此外，SHPP膜能够反复精准修复损伤位置，而不损失水的蒸发性能。该SHPP膜基蒸发器的简单结构有利于其集成到传统的太阳能蒸馏装置。

图二 自修复亲水聚合物PUx的合成

首先，通过PEG（聚乙二醇）、PTMG（聚四氢呋喃醚二醇）和DMDI（二环己基甲烷4,4-二异氰酸酯）的聚合反应，合成了自修复亲水聚合物。

该聚合物用PUx表示，x代表PEG所占摩尔比。通过合理使用疏水PTMG和亲水性PEG，调整这两种单体的摩尔比，可以调节PUx的亲水性。随着聚乙二醇含量的增加，PUx的吸水量增加。这表明PUx的亲水性随PEG的摩尔比的增加而增加。

图三 自修复性能测试实验

以PU20为代表，检测PUx的自修复能力。用刀将一块PU20薄膜(0.6 cm×3.5 cm)切成两半，随后将这两部分重新紧密贴合。

将PU20薄膜置于环境条件下6h后发现，分离的PU20薄膜粘聚在一起，恢复了结构完整性。PU20的自修复能力归因于其丰富的可逆氢键和低的玻璃化转变温度（−51.3 °C）。

当断裂表面紧密接触时，聚合物链逐渐迁移到孔中，氢键相互重组，导致切口修复。采用拉伸试验进一步表征PU20的修复能力。

随着时间的增加，自修复的PU20膜的断裂应力逐渐增加，在室温下6小时恢复到了4.26 MPa，自修复效率达到98.4%。

图四 SHPP膜的制备及其结构与性能表征

使用PUx、CB和氯化钠通过溶剂蒸发和水中浸渍去模板的方式制备SHPP膜。CB由于其良好的光热转换能力而被使用，氯化钠则作为牺牲模板。通过简单的制备，很容易获得一块尺寸为11 cm×11 cm的PU20/CB0.5/NaCl5膜。

该膜具有三维相互连接的多孔结构，包括一个CB增强的PU20骨架和孔径分布在9.7到109.8 μm的大孔，孔隙率为59.8%。

由于毛细管力作用，PU20/CB0.5/NaCl5膜允许水进行5 cm的垂直输送，可以作为水的输送通道。该膜在淡水中表现出1.68 kg m−2 h−1的稳定水蒸发速率和97.3%的光热转换效率。

图四 稳定性测试实验

实验研究了在模拟的太阳灯（1000W m−2）下，PU20/CB0.5/NaCl5膜基蒸发器漂浮在湖水和模拟海水（3.5 wt%氯化钠）上的水蒸发速率。

在蒸发器的帮助下，湖水和海水的蒸发速率分别达到1.67和1.61 kg m−2 h−1。相应的光热转换效率分别为96.7%和94.2%。

实验还发现，该膜具有良好的稳定性。在醋酸水(1 wt%，pH 2.8)、碳酸钠(1 wt%、pH 11.7)和氯化钠(3.5 wt%)溶液中浸泡10天之后，该膜没有发生变化。此外，在50 °C的热水中浸泡10天，PU20/CB0.5/NaCl5膜的孔隙度保持良好。

图五 自然光照下的实验

为了检验PU20/CB0.5/NaCl5膜基蒸发器在自然条件下的实际效果，在自然阳光照射条件下进行了实验。在阳光照射下，膜的温度迅速升高，在5 min中达到34.2 °C，证实了该膜具有良好的光热能力。

在PU20/CB0.5/NaCl5膜蒸发器的帮助下，湖水和模拟海水在自然阳光下的蒸发速率分别为1.80和1.69 kg m−2 h−1。值得注意的是，获得的淡水中，与湖水和模拟海水相比，钠、钾、钙、镁等离子的浓度显著降低，达到了世界卫生组织制定的淡水标准。

该工作首次设计并制备了一种具有自修复和优异光热性能的亲水多孔膜，可实现持久、高效的太阳能驱动界面水蒸发，为太阳能驱动水蒸发技术提供了新的思路。