GC | 文献综述 | 绿色多酚基光热界面蒸发系统用于光热水生产

【研究背景】

由于环境污染和人口增长，水污染和饮用水短缺已成为全球面临的巨大挑战。太阳能驱动的界面光热水蒸发和水净化技术具有不消耗化石能源、低碳排放、能量转化效率高等优点受到了极大关注，被认为是一种绿色、高效、可持续净化水并获取洁净水的前沿技术。

随着这一前沿领域的迅速发展，各种光热材料诸如贵金属、半导体、碳基材料和高分子聚合物等材料得到了开发和广泛探索。近年来，多酚基光热材料因其绿色、经济、多功能、可扩展性强等优势，在高性能界面蒸发器的开发中备受关注，涌现出越来越多相关研究报道。

近期，南昌大学王振兴副教授受邀对该领域进行了总结和展望，相关内容以“Green polyphenol-based photothermal interfacial evaporation systems toward solar water production”为题在《Green Chemistry》上发表。文章第一作者为南昌大学本科生刘晓江和游华焰。

该文综述了有关多酚基光热界面水蒸发系统（PISE）的最新进展。首先介绍了多酚的粘附性、二次反应活性和光热性能，并重点讨论了多酚材料在构建PIES中的独特优势；之后，根据多酚的主要功能，介绍了多酚在PIES中的四种应用形式：(a)作为中间层引入光热材料；(b)在PIES中实现亲水性改性；(c)自身单独作为光热材料（无其他支撑材料）；(d)作为光热涂层（有额外支撑材料）。最后，重点介绍了多酚在实现限域毛细作用、设计复杂三维蒸发器、构建多功能PIES等方面的代表性应用，进一步展示了多酚基光热材料在改善水蒸发性能方面的独特优势。该文旨在为更好地利用多酚基界面蒸发技术提供前瞻性的指导，以激发更多的创新研究。

【图文速览】

Fig. 1 应用于光热界面水蒸发系统（PIES）中的不同类型和结构的多酚

Fig. 2 (A) 使用多酚和各种基材之间的多种相互作用的粘附行为示意图；(B) TA-APTES涂层和PDA涂层的二次反应性示意图。

Fig. 3 (A) 通过减小能量带隙形成D-A对的示意图；(B) 与传统PDA相比，带隙更窄的TEMPO掺杂PDA示意图；(C) 多酚与金属之间金属-酚类螯合相互作用示意图。

Fig. 4 (A) 以TA基超分子胶粘剂为中间层制备LCPT@CF光热膜示意图；(B) 以TA为中间层，将PVA-PPy涂层锚定在Ti衬底上的示意图。

Fig. 5 (A) 利用DA实现光热PP HFMs内表面亲水改性的示意图；(B) PDA在光热CFMs界面上实现亲水改性的示意图。

Fig. 6 (A) 通过结构定制获得的具有不同形态的作为光热层的PDA的示意图；(a) DA 纤维 (b) PDA 纳米管 (B) (a) 黑色素启发的PDA基气凝胶；(b) 室外太阳照射下蒸发性能；(c) 循环稳定性。插图是 10 次循环后基于 PDA 的气凝胶的顶视图。

Fig. 7 (A) (a) PDA作为核壳构建块制备光热膜NC@Cu示意图；(b) 1次太阳照射下不同高度NC@Cu光热膜的蒸发速率和效率；(B) (a) 基于PDA涂层的木材表面ZIF-8颗粒原位生长示意图；(b) 1个太阳下光热蒸发速率和相应的能量效率。

Fig. 8 (A) (a) 通过TA将各种木材转化为光热材料，然后使用Fe3+进行太阳能蒸汽发电的示意图；(b) 各种木材的照片（原始木材，上图）、经过TA处理的木材（woods-TA，中间图）和经过TA处理后再经过Fe3+处理的木材（woods-TA-Fe3+，下图）。（1-山毛榉；2-雪松；3-松树；4-白杨；5-橡树；6-杨树；7-苦楝）；(c) 不同木材- TA - Fe3 +在1个太阳下(1 kW m-2)与纯水作为对照试验(试验溶液:去离子水)的质量损失；(d) 不同木材-TA-Fe3+在1个太阳下的能量效率（木材1：山毛榉；木材2：雪松；木材3：松树；木材4：白杨；木材5：橡树；木材6：杨树；木材7：三叶木）；(B) TA-Fe3+涂层对不同基体进行光热改性的示意图。(一)PVDF。(b)天然椰子壳(CH)。(c)细菌纤维素(BC)。

Fig. 9 (A) (a) 在各种材料上制备TA@APTES@Fe3+涂层的工艺示意图；(b) 通过TA@APTES@Fe3+将带凹槽的杨树转化为黑色材料的照片；(c) 不同样品在1个太阳(1 kW m-2)照射下与纯水作为对照的质量损失；(d) (TA@APTES@Fe3+)基材料的雷达图 (B) 利用TA和Fe3+进行柔性结构设计构建多尺度分层PIES示意图 (a) 层状覆盆子状结构；(b)层状仙人掌状微球网络。

Fig. 10 (a) 采用PVP/Fe3+-TA络合法制备PU海绵光热多孔水凝胶涂层示意图；(b) PU海绵、PVP/Fe3+涂层海绵(sponge@PVP/Fe3+)和生成的水凝胶海绵(sponge@PVP/Fe3+@TA-1 h)的示意图和SEM图像；(c) sponge@PVP/Fe3+浸泡在TA溶液中，在海绵骨架上形成黑色水凝胶的示意图；(d) 水凝胶海绵被压缩100次后的光学照片；(e) 水凝胶海绵在1次太阳照射1440 h下的长期稳定性；(f) 不同水凝胶涂层在1 kW m−2太阳辐照下的蒸发速率和能效。

Fig. 11 (a) 通过TA-APTES-Fe3+制备黑色/亲水纳米颗粒(BHNPs)光热薄涂层促进太阳能驱动水蒸发的限域毛细作用(CC)示意图；(b) BHNPs赋予基质强大的限域毛细作用，使水从底部快速输送到顶部表面的示意图；(c) 海绵- M(中等孔径)-BHNPs不同扫描断面的Micro-CT图像(高分辨率:1µm)。图像中的红线是水。为了便于观察，水中含有10%的NaI。(d) 海绵- M - BHNPs的上、中、下表面的光学显微镜图像。为了便于观察，水被染成了红色。尺寸为100µm。(e) 海绵- B(大孔径)-BHNPs、海绵- M -BHNPs和海绵- S(小孔径)-BHNPs的水分蒸发速率。

Fig. 12 (A) (a) 结合TA独特的粘附性和3D打印技术制备高性能多酚基复合3D蒸发器示意图；(b) 用于蒸汽生成评价的多酚基复合3D蒸发器示意图 (c)海水和不同表面的3D蒸发器的蒸发速率和相应的能源效率 (B) (a) 用MPN对海绵进行改性并将其组装成用于太阳能脱盐的3D蒸发器的示意图。(b)具有光热和可调润湿性的MPN改性海绵，可在3D蒸发器内实现定向盐结晶和高蒸发速率的示意图。

Fig. 13 (A) PDA海绵通过吸附实现连续全天候清洁产水的示意图 (B) (a) 用TA-Fe3+制备多孔水凝胶膜示意图；(b) 多酚基PIES对污水的净化机理；(C) 基于PDA的二次反应性，引入抗菌银NPs制备银NPs-PDA-冬瓜示意图。Ag NPs-PDA -冬瓜既能进行界面光热蒸发，又能抵抗生物污染；(D) 基于PDA二次反应性引入TOB构建PDA/TOB@CA用于抗菌材料及净水生产的示意图 (E) TA-Fe3+-GO-ALG光热网络在水蒸发和发电中的应用示意图。

【文章总结】

该文从多酚类化合物的独特性能入手，综述了多酚在PIES中的应用优势和主要应用方式，重点介绍了多酚类化合物在改善光热水蒸发性能方面的代表性应用及最新进展。随着该类材料的不断发展和完善，多酚材料将在复杂和多功能蒸发器的设计开发方面发挥重要作用。

【文献来源】

Liu X, You H, Xie M, et al. Green polyphenol-based photothermal interfacial evaporation systems toward solar water production. Green Chem., 2024, 26, 6959–6982.

https://doi.org/10.1039/D4GC01486C