Advanced Materials|用于增强太阳能海水淡化的具有耐用约束毛细管的裂纹金属-酚醛网络

研究背景

由于人口增长、气候变化和工业需求增加，解决淡水短缺问题已成为一项紧迫的全球性挑战。传统的海水淡化技术，如多级闪蒸、低温多效蒸馏系统和反渗透，已经大大增加了淡水供应;然而，他们对化石燃料的依赖带来了巨大的环境和能源挑战。在此背景下，界面太阳能海水淡化已成为一种很有前途的替代方案，为解决全球淡水短缺问题提供了可持续的解决方案。这项技术利用丰富的太阳能，将其转化为直接应用于水中的热量，从而增强蒸发和冷凝过程，而无需传统的不可再生能源输入。为提高界面太阳能海水淡化系统的性能，已经做出了重大努力，包括设计架构以最大限度地提高光吸收率。提高光热材料的能量转换效率，以及降低水分蒸发的焓。然而，这些方法通常需要对光热材料内的整个水体进行大量加热，其中大部分加热的水不会导致蒸发，从而导致热量损失和有限的水蒸发速率。因此，推进材料设计和结构工程以优化太阳能海水淡化蒸发器中的水流通道，以最大限度地减少热损失和提高蒸发速率，尽管具有挑战性，但将提供一种替代策略。

约束毛细管是一种普遍存在的自然现象，被广泛用于提高各种应用中的水运输效率。这个过程是由密闭空间中胶粘剂和内聚力之间的相互作用驱动的，并使水能够抵抗重力运动;从植物养分吸收到工程流体动力学系统，约束毛细管在各个过程中都是必不可少的。利用约束毛细作用有望通过优化通过狭窄通道的水流来提高太阳能海水淡化的效率，从而增加蒸发表面积并最大限度地提高能源利用率。例如，堆叠的纳米球已被用于创建水通道并诱导约束毛细作用，从而导致更高的水分蒸发速率。然而，仍然存在重大挑战，因为聚集的纳米球在机械压缩下很容易移位，并且会从其衬底上脱落，从而限制了它们的工业应用。

金属-酚醛网络 （MPN） 由天然多酚和金属离子组成，是粘性超分子金属-有机材料，由于其不同的相互作用（例如氢键、π-π 堆叠和疏水相互作用），可以在几分钟内在各种基材上形成涂层。此外，MPN 具有 8000 多种天然功能性多酚和多种金属离子，因此具有可定制和模块化的物理化学特性，使其适用于各种应用，包括生物医学、催化和太阳能海水淡化。

主要数据

方案1：C-MPN 的制备和性质示意图。a） 裂纹网络为变色龙皮肤提供了柔韧性和抗弯曲性。b） 叶片中的管道网络确保水分在整个叶片中分布。c） 裂纹网络赋予 MPN 涂层柔韧性、抗弯曲性和水传输性能。d）C-MPN 涂层海绵（即 sponge@C-MPN）的制备示意图。e） C-MPN 的超亲水性和光热转化特性。f） C-MPN 促进的约束毛细作用。g） 有和没有约束毛细管的光热材料中的水分布示意图。h） C-MPN 可以承受反复压缩并保持稳定的限制毛细管以供实际应用。i） S-MPN 在压缩时脱离，随之而来的限制毛细血管丢失。S-MPN（堆叠 MPN）代表对照组，由由紧密堆积的 NP 组成的 MPN 涂层组成，没有裂纹图案。

图1：C-MPN 的制造和表征。a) TA 和 APTES 的化学结构。b) 通过两步工艺制造sponge@MPNs（sponge@MPN NP 和 sponge@C-MPN）。c) 原始海绵、sponge@MPN NP（[TA] = 2、4 和 12 mg mL⁻¹）和 sponge@C-MPN（[TA] = 8 mg mL⁻¹）的 SEM 图像。比例尺为 5 μm。插图是相应海绵及其水接触角的照片。d）sponge@C-MPN 的 EDX 映射。比例尺为 3 μm。e，f) 不同海绵的 O1s （e） 和拉曼光谱 （f） 的曲线拟合。g） 代表性 C-MPN 横截面的 SEM 图像。h） 低场核磁共振 （LF-NMR） T2纯水和 sponge@C-MPN 的弛豫谱。i） 提出的 C-MPN 中裂纹形成的机制。

图2：裂纹对海水淡化性能的影响。a） 在不同干燥温度（30、60 和 80 °C）下形成的裂纹的 SEM 图像。比例尺为 2 μm。b） 在不同干燥温度下获得具有不同裂纹的 C-MPN 的节点编号和 c） 紫外-可见吸收光谱。d） 不同 sponge@C-MPN 在一次太阳照射下的热红外图像和相关温度变化。e） 3D 显微 CT 图像显示 C-MPN 上有一层薄水层。f） 具有不同裂纹的 sponge@C-MPN 的高分辨率显微 CT 图像。比例尺为 100 μm。g） 示意图显示了在 sponge@C-MPN 骨架上形成的薄水层。h） 不同海绵骨骼上的水层厚度。数据显示为平均值±标准差 （SD， n = 4）。i） 蒸发过程中不同海绵的水层厚度变化。j） sponge@C-MPN 的显微 CT 图像30°C在一次阳光照射下蒸发 6 小时前后 k） 在一次阳光照射下使用蒸发器蒸发的水量随时间的变化。l） 3.5 wt.% NaCl 溶液在一次阳光照射下处理 6 h 过程中不同海绵的蒸发速率变化。插图是海水淡化后海绵的照片。

C-MPN 的抗压性30°C.a，b） 涂有 C-MPN 的海绵的照片和 SEM 图像30°C（a） 或 sponge@S-MPN （b） 在压缩前后使用 20 g 砝码进行 500 或 100 次循环。比例尺为 10 μm。c，d） 显示 C-MPN 稳定性的示意图30°C（c） 和压缩前后 sponge@S-MPN 的稳定性降低(d)。e） 显示 sponge@C-MPN 的稳定约束毛细管的示意图30°C以及压缩后 sponge@S-MPN 的限制毛细血管的损失。f） sponge@C-MPN 的水分蒸发率30°C以及压缩前后的 sponge@S-MPN。数据显示为 SD ±平均值 （n = 4）。

图4：C-MPN 的尺寸效应和户外性能30°C.a） sponge@C-MPN 的照片30°C不同维度。b） 用于 sponge@C-MPN 的供水装置示意图30°C.c） sponge@C-MPN 的水层厚度和蒸发速率30°C不同维度。数据显示为 SD ±平均值 （n = 4）。d） sponge@C-MPN 的长期蒸发性能30°C用于海水。e） 基于 sponge@C-MPN 的蒸发器设备的照片30°C室外海水淡化之前（左）和之后（右）。f） 不同环境温度和湿度水平下水分蒸发的室外实验数据。g） 海水淡化前后不同金属离子的浓度。

研究结论

在光热涂层（即 C-MPN）中引入并设计了通常被认为是缺陷的裂纹，这不仅通过约束毛细作用显著提高了太阳能海水淡化性能，而且还表现出优异的抗压性。此外，C-MPN 能够在高蒸发速率下实现长期稳定的海水蒸发，这在放大时也能保持。这项工作有望推进太阳能海水淡化光热涂层合理设计的基础和应用研究。通过整合材料设计和形态控制，拓宽了开裂结构在先进功能涂层开发中的潜在应用。

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202503896

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