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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 " 协同设计理念 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; 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 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








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