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

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。

图2 NG的结构图

研究人员通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、小角X射线散射（SAXS）和小角中子散射（SANS）等多种表征手段，作者详细揭示了纳米凝胶的结构特征。结果显示，纳米凝胶具有六边形排列的疏水介孔通道，其内径约为6.2 nm，能够为水团簇的形成提供理想的模板。

图3纳米喷雾对蒸发材料的界面改性图

图4 NGs和普通凝胶内水团簇蒸发示意图

图5纳米喷雾促进水分蒸发的机理图

该研究通过实验和分子动力学模拟，揭示了纳米凝胶喷雾中亲-疏水纳米通道在降低蒸发焓方面的关键作用。纳米凝胶的疏水介孔结构不仅加速了水团簇的形成，还稳定地将水团簇排出，从而显著提高了蒸发效率。此外，纳米凝胶的超亲水性确保了水分子在蒸发过程中的快速吸收和输送，进一步增强了蒸发速率。

图6 NGs@Substrate的实用性图

该研究由硕士研究生朱海云为第一作者，海南大学黄玮和张明鑫副研究员为通讯作者，华南理工大学杨俊升老师在理论计算方面提供了重要指导。相关工作得到了国家自然科学基金（52403088, 52162012）、海南省南海新星 (NHXXRCXM202305)等项目的支持。此外作者特别致谢了中国散裂中子源（SANS）和上海光源(SAXS,BL16B和19U2)提供的小角散射测试服务，为该纳米凝胶结构表征提供了重要的技术支持。

全文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202419243

https://doi.org/10.1002/adma.202419243

来源：高分子科学前沿

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