海大黄玮/张明鑫团队AM：介孔纳米凝胶喷雾作为促进水簇蒸发的通用蒸发界面调节剂

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-03-12 07:51

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近日，海南大学黄玮和张明鑫等人在《 Advanced Materials 》上发表了题为 “Mesoporous Nanogel Sprays as Universal Evaporation Interface Modifiers for Boosting Water-Cluster Evaporation” 的研究论文，该研究开发了一种新型的介孔纳米凝胶，作为通用的蒸发界面调节喷雾，实现了对多种蒸发界面的水蒸发过程的有效调节，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 。这种通用的、易操作的界面喷涂改性方法，对传水基底的基本结构、形状等方面要求较低，具有极高的商业推广潜力。

研究背景与挑战

水蒸发作为一种自然现象，是自然界和工业生产中至关重要的过程，在光合作用、海水淡化、脱水技术等多个领域中发挥着重要作用。然而，如何提高蒸发效率一直是科研人员关注的焦点。基于水簇蒸发机理，多孔网络结构能够促进水分子以团簇形式逃逸出蒸发界面，从而降低蒸发界面上的能耗（低焓蒸发）；水团簇在空气中，再进一步吸收环境能量破碎成单个气态分子。这种低焓蒸发过程，为提高界面蒸发速率提供了新的途径。近期的研究表面，疏水性孔或者微孔结构能够作为水“活化”的结构单元，促进水簇形成；但这些结构特性对水分子的传输过程会造成较大阻碍，难以适用于快速的界面蒸发过程。如何平衡这种水“活化”和水传输行为成为设计高性能界面蒸发材料的关键难题。

传统的设计方案中，大家普遍采用大块凝胶网络同时满足水“活化”和水传输的功能，这种耦合设计策略给材料制备 / 合成带来了极大的挑战。为此，作者创造性地设计了一种简易的界面喷涂策略，将具有高效率的水“活化”功能的纳米凝胶喷剂，喷涂在具有快速水传输能力的基底材料上，大面积、批量化地制备了高效率的水蒸发材料。这种模块化的功能组装设计方案，实现了水“活化”和水传输结构和功能的解耦设计，大幅度地简化了水蒸发材料的设计思路。

图 1 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

该研究中，作者利用分子自组装技术构建了一种具有介孔孔道（孔内疏水）的亲水性纳米囊泡凝胶。这些纳米凝胶通过喷涂的方式被均匀地涂覆在多种基材表面（如 PVA 水凝胶、巴尔沙木、纳滤膜、纤维素纸、尼龙布等），有效升级了基材的界面性能，使蒸发材料的制备变得简单且高效。实验结果表明，经过纳米凝胶喷雾处理的基材在低剂量 40 mg/cm² 下，其蒸发速率在 0.5 和 1 太阳辐照度下分别可达 1.58 kg/m²·h 和 3.26 kg/m²·h ，相比未处理的基材分别提高了 297% 和 268% 。这一显著的提升归功于纳米凝胶独特的亲疏水纳米通道结构，其能够有效促进水团簇的形成和快速扩散，从而降低蒸发焓。