专栏名称: 高分子科技

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海大黄玮/张明鑫 Adv. Mater.：纳米喷剂增强的水簇蒸发加速海水淡化

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2025-03-16 07:58

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物质相变过程中的液态水 - 气态水转化机制，是维系地球水循环与工业流程优化的物理基础。通过调控水分子界面行为，加速太阳能驱动界面水蒸发，成为低能耗地解决全球淡水资源短缺的可行技术路径。其核心突破点在于：当水分子在纳米限域空间中形成亚稳态簇状结构（水活化）时，氢键重构可使相变所需活化能降低 34.7% ，这种非经典蒸发路径为突破传统热力学限制提供了新可能。

然而，该领域面临双重物理屏障：一方面，具有强水活化能力的疏水纳米孔道会引发显著的毛细屏障效应，导致水的体相传输速率下降；另一方面，大孔输水结构虽然能维持高流量，但其界面与水分子相互作用有效面积小，无法有效破坏水分子氢键网络，致使蒸发焓仍高达 2100 kJ/kg 以上。这种传质 - 活化矛盾具有天然的不可调和性。

将输水通道与蒸发界面解耦升级蒸发界面的通用方法示意图

针对这一跨尺度难题， 海南大学 黄玮 和张明鑫等人 开创性地提出 " 界面功能解耦 - 纳米限域活化 " 的协同设计理念： ① 采用生物质衍生的琼脂多糖构建具有水簇模板功能的介孔纳米凝胶； ② 开发简易喷涂技术，将纳米凝胶喷涂于商业化的传水基材表面，形成厚度可控的功能界面层。这种分级结构设计成功将输水通道（基材层）与活化界面（纳米凝胶）的空间解耦，界面水蒸发速率提升幅度最高可达 297% 。普通的廉价无纺布材料，经过喷涂该纳米喷剂后，在一个太阳光辐照强度下，其界面蒸发速率可大幅提升至 3.26 kg m ^-2 h ^-1 。

纳米凝胶的多级结构

作者通过分子自组装技术构建了琼脂基纳米凝胶（ NGs ），其核心创新在于疏水介孔与亲水基质的协同设计。以硅油（疏水相）和琼脂（亲水相）为原料，通过高温乳化 - 冷却自组装形成囊泡结构。硅油作为致孔剂，在溶剂萃取后形成疏水介孔通道（孔径 6.2 nm ），而琼脂网络提供亲水基质，确保水分子快速渗透。通过调节琼脂浓度与混合比例，纳米凝胶的流体力学半径（ Rh ）可在 65 – 118 nm 范围内精确调控（ PDI<0.2 ），满足不同基材的界面匹配需求。

作者采用跨尺度表征技术解析纳米凝胶的独特结构。 DLS/SLS ： Rh/Rg ≈ 1 （ Rg 为回转半径）证实中空囊泡结构。 SAXS ：六方相散射峰（ q 比 1: √ 3:2 ）显示表面存在有序柱状孔，侧长 8.5 nm 。 CV-SANS ：对比不同 D2O/H2O 比例的散射曲线，拟合出介孔内径 6.2 nm 、长度 7.6 nm （图 1d ），且溶剂可渗透孔道，降低 SLD 差异。

纳米凝胶的结构研究

创新性解决策略与核心优势

本研究突破传统蒸发材料 " 一体化 " 的思维定式，提出界面功能解耦 - 纳米限域活化协同策略，简化材料多级孔道设计策略，提升水簇蒸发比例。具体如下：

纳米喷雾对蒸发材料的界面改性

1. 结构解耦设计：

传水基底层：选用商业化多孔材料（尼龙织物、轻木等）作为水传输主体，利用其固有的大孔结构（平均孔径 150-300 μm ）实现高通量输水。

水活化功能的蒸发界面层：喷涂介孔纳米凝胶（ NGs ）构建活化界面，该纳米凝胶表面具有疏水介孔通道，为水簇形成提供了理想的结构模板，使中间水比例提升至 60% 。

2. 纳米限域效应创新：

疏水介孔内水分子扩散系数（ 1.92×10 ⁻⁷ m ² /s ）较亲水通道提升3倍，促进水簇从蒸发界面快速且稳定地脱离，降低界面能耗。

3. 普适性喷涂工艺：

开发常温喷涂技术（ 40 mg/cm ²负载量），形成纳米级多孔网络，实现气 / 液双连续传输，避免多层结构的界面热损失。此外，该方案适配多种廉价的商业化多孔材料（水凝胶、木材、滤膜等），大幅度简化蒸发器的制备，并具有较高商业推广价值。

纳米凝胶增强的水簇蒸发机理示意图

海大黄玮/张明鑫 Adv. Mater.：纳米喷剂增强的水簇蒸发加速海水淡化

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