重大突破！清华Nature子刊：缓解全球清洁水资源危机！

研究背景

随着人类社会的快速发展，地表水不断受到工业排放的复杂成分的污染，其中包括废油、挥发性有机化合物(VOCs)、重金属离子和微生物等。与此同时，清洁水的短缺问题越来越严重，目前有三分之一的人无法获得安全的饮用水。传统的热蒸馏和基于膜的反渗透技术已经发展了几十年，用于将水与污染物分离，以满足日益增长的人类生活标准。然而，高能耗、复杂的处理工艺、沉重的经济负担和操作驱动的燃料燃烧或废膜不可避免的二次污染限制了它们的实际应用，特别是在发展中国家和地区。

太阳能获取淡水被认为是一种绿色、可持续和分散的战略，可以从海水或不可饮用的水中获得清洁的水，可以满足世界各地的迫切用水需求，因为太阳能是一种取之不尽、广泛且环保的可再生能源。得益于最近发展的太阳能界面材料，如石墨烯、聚吡咯和金属纳米颗粒，可观的阳光利用效率和快速的蒸汽生成动力学已被证明。然而，当地表水中存在复杂的污染物时，最先进的单一功能太阳能系统与不含有害成分的合格设备相去甚远。

成果简介

清洁水的短缺在世界范围内持续增长，最近的太阳能界面系统已经成为一种可持续、高效和碳中和的生产清洁水的方法。然而，地表水中复杂的污染物伴随着环境污染，为通过以前的策略收集清洁水设置了巨大的障碍。近日，清华大学曲良体教授、助理研究员程虎虎以及瑞典斯德哥尔摩大学袁家寅教授等人开发了一种太阳能驱动石墨烯/海藻酸盐水凝胶(GAH)为基础的清洁水萃取器，具有超强的抵抗复杂污染物的输送和超强的防污能力。

该GAH对>99.5%的挥发性有机化合物、>99.3%的离子(Na+、Mg2+、K+和Ca2+)和100%的非挥发性有机化合物和细菌具有高选择性；同时，GAH在水下形成大于140°的大接触角，能够抑制油的粘附，使表面细菌几乎100%失活，防止盐结晶。由于具有广泛的环境适应性，这种GAH可以直接将复杂组分的地表水转化为安全的饮用水。这项工作以“Multifunctional solar water harvester with high transport selectivity and fouling rejection capacity”为题发表在国际顶级期刊《Nature water》上。

图文导读

图1. GAH在净水生产中的优点示意图说明

图2. GAH的制备与表征

本文将石墨烯/海藻酸盐水凝胶(GAH)与高密度内部结构设计和仿生表面工程相结合。它在太阳能纯水萃取方面表现出高选择性，对含有复杂污染物的地表水具有多重有效的防污能力(图1a)。对VOCs的高选择性水运输源于缺乏大量水，以及水和污染物分子通过与GAH中的聚合物网络形成足够的氢键以结合状态运输的不同能力(图1a,b)。通过在GAH和受污染的地表水之间建立高渗透压差来实现离子的排斥(图1c)。

在鱼鳞型石墨烯微纳米结构表面上，入射光的结构捕获增强了太阳能热转换能力(图1d)，基于亲水微纳结构诱导的Cassie接触的超疏油功能实现了水下防油污功能(图1e)，暴露的还原氧化石墨烯(rGO)纳米片获得了表面抗生素(图1f)。最终，该GAH通过拒绝>99.5%的VOCs, 99.3%的离子(Na+， Mg2+， K+和Ca2+)和100%的非挥发性有机化合物NOCs和细菌，从受污染的地表水中收集清洁水。此外，GAH具有>140°的水下油接触角，具有抗油附着力，对海水的表面抗菌效果接近100%，离子截留率为94.9%，在复杂条件下具有理想的防污能力，远远超过以往报道。本研究对于推广太阳能清洁集水技术，解决水文环境污染问题具有重要价值。

为了制备GAH，作者将海藻酸钠和氧化石墨烯分散体在40°C和50%相对湿度下混合并凝胶化，然后进行化学还原和多次铝离子诱导交联循环，形成致密的氧化石墨烯/海藻酸盐水凝胶。然后，使用直接激光书写在表面上打印鱼鳞启发的微纳多尺度图案(图2a)。如图2b所示，由于还原氧化石墨烯的强光吸收，获得的GAH呈现光学暗。相比之下，不含氧化石墨烯的海藻酸盐水凝胶是透明的。这种GAH具有良好的机械灵活性，可以在任何任意曲率下轻松弯曲而不会断裂(图2b)。横断面扫描电子显微镜(SEM)图像显示，GAH具有均匀交联的致密层流结构(图2c,d)，没有明显的接缝，这将阻止毛细管散装水在内部运输杂质(图2d)，使其与大多数多孔太阳能水收集器截然不同。GAH表面的SEM图像显示出均匀的条纹微结构和暴露的氧化石墨烯纳米片(图2e)。

微米GAH表面条纹的平均宽度为45±10 μm，间隔为100±10 μm，与鱼鳞相似，沿条纹排列有外膜(图2e)。1).这种分层微纳结构使GAH具有优越的亲水性。如图2f所示，水滴沿着表面的条纹迅速扩散，最终的接触角为0°，明显低于没有鱼鳞状图案的还原氧化石墨烯/海藻酸盐水凝胶膜的10°。同时，由于入射光在GAH内多次反射以最大限度地转化为热量，GAH在全光谱范围内的吸光度达到95%，这在很大程度上超过了无图案的rGO/海藻酸盐水凝胶(图2g)。因此，GAH的图案表面和致密结构为其在净水生产中的高选择性和防垢性能提供了物质基础。

图3. GAH-3中的结合水状态

图4. GAH在净水选择性收集中的性能

图5. GAH对受污染原水具有超强的防污性能

图6. GAH的离子抑制机理及实用性能

为了明确实际防盐结垢性能，作者对GAH进行了5天的测试。GAH采用750 W m−2的人工阳光从海水中提取洁净水(图6c)，采用12 h的光照时间模拟1天(24 h)的白天。在第一天，由于高离子去除率REJ引起的光照12 h后，Win的溶解度仅为0.25 wt.%，远低于NaCl的溶解度(26.4 wt.%，室温)，不考虑盐结垢的风险，而在12 h的黑暗时间后，由于渗透差驱动离子从GAH向外迁移到周围溶液，Win降至0.18 wt.%(图6d)。Win表示GAH在平衡状态下吸收的NaCl溶液中的NaCl浓度。

这种向外的离子迁移在光照前刷新了Win，防止了GAH中跨天的离子积累。在5天的测试中，12h黑暗后的每日Win稳定在0.18 wt.%左右，这意味着白天在GAH中积累的离子在夜间完全迁移到周围的溶液中，保证12h光照后的Win稳定在0.25 wt.%左右。基于这种日常的更新，GAH在长期工作中获得稳定的性能。离子截留能力保持在初始值的99.8%左右，第5天的水提取率和表面结构基本保持不变(图6e)。另外，在一个标准日光下蒸发20 h后，GAH在17 wt.%的高浓度NaCl溶液中没有出现盐污染。这些结果表明GAH具有良好的防盐结垢性能。

总结展望

综上所述，作者成功开发了一种具有高选择性输水和多功能超级防污效果的太阳能水提取GAH系统，可以直接从含有复杂污染物的污水中收集清洁水。在鱼鳞启发的表面工程和高密度的内部氧化石墨烯/海藻酸盐网络的帮助下，GAH具有以下几个优点：(1)结构增强的高效光热转换，吸收>95%的阳光，在一个标准阳光下将表面加热到80°C；(2)基于内结合水状态和水分子-GAH与污染物分子- GAH形成氢键的不同能力的高选择性水输运，对VOCs的去除率达99.5%以上；(3)通过在水下与亲水微纳米结构表面建立稳定的Cassie接触，与有机溶剂形成>140°的接触角来防止油黏；(4)基于暴露氧化石墨烯纳米片的抗生素，可使表面细菌失活~100%；(5)通过在高密度rGO/SA网络中电离产生带电基团，形成比污水更高的GAH渗透压，阻止海水中94.9%的离子进入，在5天的试验中保持超低的内部盐浓度，不发生污染。开发GAH的理念对于低碳水净化战略的实际应用和解决全球饮用水危机具有重要意义。

文献信息

Multifunctional solar water harvester with high transport selectivity and fouling rejection capacity. (Nat. Water 2022, DOI: 10.1038/s44221-023-00152-y)

https://doi.org/10.1038/s44221-023-00152-y

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