Adv. Mat.| 文献回溯 | 侧面辅助蒸发抗菌蒸发器

【研究背景】

太阳能驱动界面蒸发是一种利用海水和太阳能连续生产清洁水的理想策略。在过去的几年里，科学家们致力于设计理想的蒸发器，包括用于高效光热转换的太阳能吸收器，以及用于隔热和输水的浮动结构，以提高蒸发率。3D结构由于减少了光反射和从环境中获得的能量，表现出优异的蒸发性能。然而，以往的工作大多将模拟太阳辐射设置为垂直于蒸发器表面进行蒸发试验，而对模拟倾斜辐射的研究相对较少。受此启发，侧面积辅助蒸发吸引了我们在设计3D蒸发器时的注意，其中蒸发器的表面积和侧面积都可以吸收自然阳光下的太阳能，因为它具有倾斜辐射功能，从而可以放大有效加热面积和蒸发率。因此，侧面积辅助蒸发可以提供一种可行且简单的方案来设计先进的蒸发器以实现超高蒸发率。

文章第一作者为江南大学研究员李昊轩，文章通讯作者为香港科技大学唐本忠院士。相关内容以“Side Area-Assisted 3D Evaporator with Antibiofouling Function for Ultra-Efficient Solar Steam Generation”为题在《Advanced Materials》（JCR一区，TOP， IF2022=39）上发表。

【文章解读】

如图1A所示，一种典型的D-A-D分子（TPA-BTDH）经设计，分三步合成。TPA-BTDH的所有这些特征，包括丰富的分子旋转体、大的扭转角和非平面结构，可能使其分子内运动受到部分限制，但在纤维状态下仍然活跃，可能使高光热转化和ROS产生受益于平衡的能量耗散（图1C）。TPA-BTDH的最大吸收波长位于645 nm，在NIR-II区域，TPA-BTDH的光致发光（PL）光谱在908 nm处达到峰值（图1D）。ROS指示剂DCFH-DA的发射强度显著提高了195倍，显示了ROS产生的高效性（图1E）。在1个太阳的太阳照射下，TPA-BTDH粉末的温度随着时间的推移而升高，并在150秒内达到62.8°C的最高温度，表明其具有良好的太阳能热传递能力（图1F）。

图1. TPA-BTDH分子的结构及相关表征

在TPA-BTDH优异性能的启发下，采用气体成型膨胀技术制备了以TPA-BTDH为太阳能吸收剂的三维结构纳米纤维毡。随后，将TPA-BTDH/PMMA纳米纤维垫切成直径为3cm的圆形，通过等离子体处理以提高其亲水性，然后在NaHB4溶液中膨胀不同的时间（图2A）。随着气泡的产生并通过垫逃逸（图2B），膨胀后纳米纤维垫的厚度变化如图2C所示。显然，随着膨胀时间从10分钟增加到30分钟和60分钟，膨胀的3D AFPCF的高度分别从1厘米增加到3厘米和5厘米。注意，在气体发泡膨胀之前通过等离子体处理得到的2D纳米纤维垫的亲水性赋予了3D AFPCF优越的吸水能力。

图2. AFPCF蒸发器的制备及表征

为了研究侧面积和蒸发速率之间的关系，我们制备了三组高度分别为1、3和5cm的3D AFPCF。这种具有互连孔隙和优异亲水性的全纤维结构赋予了3D AFPCF水传输和蒸汽逸出功能。如图2F中3D AFPCF的紫外-可见-近红外吸收光谱所示，3D AFPCF在500至1000 nm的范围内表现出有效的吸收，这是天然太阳的主要光能带，表明3D AFPCF.具有优异的吸收阳光的能力。

图3. AFPCF蒸发器的蒸发-抗菌性能测试

在1个太阳的垂直照射下，蒸发器的蒸发速率被确定为2.4 kg m−2 h−1，相应的暗蒸发速率为0.8 kg m−2中h−1。值得注意的是，当垂直辐射转向倾斜辐射时，蒸发率从2.4 kg m−2 h−1显著增加到3.6 kg m−1，这主要是由于侧面区域产生的额外热量，并且随着时间的推移，高蒸发率保持稳定（图3E）。

结果表明，侧面辅助蒸发是基于自然阳光倾斜照射提高整体蒸发的简单策略。

【文章总结】

AIEgen是为了实现优异的蒸发性能和防污性能而开发的。AFPCF蒸发器具有互连的孔隙和大的侧面积，这有利于蒸汽逸出并从倾斜的阳光照射中获得能量。巧妙设计的AIEgen使蒸发器具有出色的光热转化和光动力抗菌能力。蒸发器的太阳能蒸发率被确定为高达3.6 kg m−2 h−1。此外，AIEgen在阳光照射下连续产生的ROS高度抑制了蒸发器附近细菌的生长，显示出优越的防污性能。因此，多功能侧面区域辅助蒸发器为构建下一代智能蒸发器打开了一扇窗户，用于水净化和其他应用，包括水分管理、海洋生态系统和废水处理等。

该文首次采用聚集诱导发光材料（Aggregation-Induced Emission， AIE，属于有机材料中的一种）作为光热分子，以其优异的光动力抗菌和光热转化能力，获得高效抗菌的界面蒸发器，利用三维蒸发器的侧面辅助强化蒸发。但聚集诱导发光分子的价格及繁琐的制备工艺可以进一步优化，且三维蒸发器的蒸发速率单位中以蒸发器的投影面积计算，而非受光照表面积，导致蒸发速率在计算上偏大，故单位的优化和统一仍然需要做深入的研究。

【文献来源】

H. Li, W. Zhu, M. Li, et al., Side Area-Assisted 3D Evaporator with Antibiofouling Function for Ultra-Efficient Solar Steam Generation. Adv. Mater. 2021, 33, 2102258.

https://doi.org/10.1002/adma.202102258

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