太阳能驱动界面蒸发（SDIE）是一种生态友好、可持续海水淡化技术。水凝胶具有吸水、保水能力，它在蒸发过程中起到传输水分的作用。然而，随着蒸发的持续进行，基于水凝胶的复合蒸发器会因吸水膨胀而发生形变。这不仅影响蒸发器的结构稳定性，更会导致其水传输能力逐渐减弱甚至失效，从而影响其在光热蒸发中的长期稳定性。
长安大学颜录科团队/西安工程大学张鹏飞提出一种长期稳定的MXene-卡拉胶/聚丙烯酰胺（MXene-CA/PAAm）水凝胶太阳能驱动界面蒸发器。该蒸发器采用MXene膜作为光热层，采用具有自愈合功能的卡拉胶/聚丙烯酰胺双网络（DN-CA/PAAm）水凝胶作为供水层。其中光热层MXene膜的光热转换效率高达99%，充分保证水的高效蒸发。DN-CA/PAAm水凝胶具有优异变形弹性、抗裂性和自愈合能力，可实现持续光热蒸发。
图1. MXene-CA/PAAm双网络水凝胶蒸发器制备过程的示意图为评估水凝胶蒸发器在经历反复吸水和失水循环后的性能表现，专门设计了一项脱水/再水化循环试验。在这一试验中，首先将水凝胶在60°C的温度下干燥12h，模拟其在蒸发过程中的失水状态。随后将其浸入水中并充分膨胀12h，以模拟其吸水过程。这一过程被定义为一个完整的脱水/再水化循环（图2a）。为全面了解水凝胶蒸发器的性能变化，多次重复了脱水/再水化循环测试。通过一系列的试验，可有效评估水凝胶在经历多次循环后的形状保持能力以及水分传输效率。在图2b中，可清晰看到DN水凝胶在经三个脱水/再水化循环后没有发生任何明显的变形或开裂，展现出了卓越的稳定性。这充分证明了DN水凝胶在反复吸水和失水过程中的结构完整性。同时，DN-CA/PAAm水凝胶质量在经三个循环后保持续了其初始质量的82%（图2c）。这也有力表明，该水凝胶在经历多次循环后，其吸收和传输水分的能力仍然得以持续，这对于维持蒸发器的长期性能至关重要。
图2. 脱水/水合循环测试：（a） 脱水/水合循环测试示意图，（b） SN-CA、SN-PAAm 和 DN-CA/PAAm 水凝胶脱水/再水合循环后的图像， SN-CA、SN-PAAm 和 DN-CA/PAAm 水凝胶的（c）质量和（d）相对含水量，（e） DN-CA/PAAm 水凝胶在 10 个脱水/再水化循环中的吸水能力为更直观表征水凝胶含水量变化，引入相对含水量。相对含水量是通过将含水量进行归一化处理得到，它能够更准确地评估水凝胶在不同循环次数下的水分保持能力。在图2d中，可以看出SN-CA和SN-PAAm水凝胶的相对含水量分别下降到56%和44%，而DN-CA/PAAm水凝胶的含水量则保持在原来的80%。这再次验证了DN-CA/PAAm水凝胶在水分保持方面的优势。为更深入探究DN-CA/PAAm水凝胶的性能，将其脱水/再水化试验延长到了10个周期。令人欣慰的是，即使经过10次循环，该水凝胶仍然能够保持其形状，并且恢复了66%的吸水能力（图2e）。这不仅证明了其卓越的结构稳定性，还检验了其吸水能力的持久性。值得一提的是，无论是在去离子水中还是在模拟海水中，DN-CA/PAAm水凝胶均表现出相似的性能，其在实际应用中具有巨大潜力。为全面评估MCPH蒸发器在连续蒸发中的稳定性，对水凝胶蒸发器进行了长达360h光热测试（图3）。这项测试旨在观察不同蒸发器在长时间光热作用下的表现。通过以72h为间隔拍摄的图像，可清晰地看到MCH和MCPH蒸发器持续的功能性和稳定性。首先，如图3a所示，MPH蒸发器在测试过程中发生了显著的变形，这种变形导致了其光吸收表面积的减少，从而影响其蒸发效率。相比之下，MCH和MCPH蒸发器则展现出了出色的结构完整性，它们在整个测试过程中都保持了原有的形状。
图3. 长期光热蒸发性能：（a）MCH、MPH 和 MCPH 蒸发器在模拟海水中长期蒸发后的照片，（b）蒸发过程中弯曲角度和 M/M0 的变化，（c）在模拟海水中 360 小时的蒸发速率为量化评估蒸发器的性能，采用了两种主要监测手段。一是通过观察蒸发器的弯曲角度变化来评估凝胶的变形程度，二是通过监测质量变化来评估凝胶层的吸水能力。通过这些监测数据，可更加准确地测试蒸发器的稳定性。如图3b所示，MPH蒸发器的结构稳定性表现最差，其弯曲角度的变化最为明显。而图3c则揭示了MCPH蒸发器的长期稳定性优势。在长达360h的测试中，MCPH蒸发器的平均蒸发率达到了1.78 kg m-2 h-1，这明显优于MPH和MCH蒸发器。综上所述，全部研究结果表明，MCPH蒸发器在长期光热蒸发过程中展现出卓越的结构和蒸发稳定性。这不仅证实了MCPH蒸发器的耐用性，也为其在实际应用中的潜力提供了有力支持。该工作以“Self-healing, deformation-resistant MXene double-network hydrogel for stable solar-driven interfacial evaporation”为题发表在《Journal of Materials Chemistry A》上。长安大学2023级硕士研究生赵瑞琪为第一作者，长安大学陈曦博士、长安大学颜录科教授与西安工程大学张鹏飞教授为共同通讯作者。该研究工作得到陕西省创新能力支撑计划、陕西省重点研发计划与长安大学中央高校等项目的支持。
原文链接：
https://doi.org/10.1039/D4TA08803D
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