利用可再生的太陽(yáng)能使鹽水界面蒸發(fā)的技術(shù)為緩解全球水資源短缺提供了有效的途徑。當(dāng)前，該領(lǐng)域的研究側(cè)重于追求穩(wěn)定的水蒸發(fā)率，從而保證水的產(chǎn)量。然而，鹽在蒸發(fā)器上的沉淀也逐漸成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。盡管有研究已經(jīng)證明了具有上層疏水和下層親水的Janus結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器是抑制鹽沉淀的有效策略，但疏水層上的有機(jī)基團(tuán)在水和紫外光的暴露下會(huì)氧化分解，從而導(dǎo)致表面疏水性變差。

美國(guó)加州大學(xué)河濱分校殷亞?wèn)|教授等人通過(guò)利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）在光化學(xué)損傷下的自修復(fù)表面疏水性，提出了一種具有高效除鹽性能的Janus蒸發(fā)器，可確保其長(zhǎng)期的表面疏水性。該上層覆蓋有PDMS的Janus蒸發(fā)器具有出色的除鹽能力，當(dāng)在陽(yáng)光照射下連續(xù)工作400分鐘或間歇工作90天時(shí)，其穩(wěn)定蒸發(fā)速率為1.38 kg / m2 / h。結(jié)合長(zhǎng)期除鹽和高效蒸發(fā)的優(yōu)勢(shì)，該Janus蒸發(fā)器具有從海水中穩(wěn)定生產(chǎn)清潔水的廣闊前景。該研究以題為“Janus Evaporators with Self-Recovering Hydrophobicity for Salt-Rejecting Interfacial Solar Desalination”的論文發(fā)表在《ACS Nano》上。

【Janus蒸發(fā)器的制備】

作者將三聚氰胺泡沫（MF）用作水傳輸?shù)亩嗫坠羌埽缓蟛捎媒糠▽?duì)泡沫進(jìn)行改性（圖1a）。作者對(duì)MF的上部進(jìn)行PDMS修飾，在浸涂過(guò)程中，PDMS前體用己烷稀釋，以防止在MF內(nèi)形成塊狀結(jié)構(gòu)，從而保持MF的多孔性。作者還將石墨顆粒嵌入薄層中，其可作為一種光吸收劑，來(lái)增強(qiáng)蒸發(fā)器的光熱轉(zhuǎn)化效率。MF的下部仍然保持親水的多孔結(jié)構(gòu)，來(lái)保證蒸發(fā)器的隔熱和輸水性能。上層的親水-疏水平衡可以通過(guò)PDMS的量來(lái)控制，從而可以方便地調(diào)控水的蒸發(fā)速率。憑借PDMS的重建硅氧烷鍵的能力，其表面疏水性能可實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)Janus蒸發(fā)器的長(zhǎng)期耐鹽性能。

圖1 Janus蒸發(fā)器的制備

【產(chǎn)水性能】

作者通過(guò)在太陽(yáng)光照下繪制由于水蒸發(fā)引起的質(zhì)量隨時(shí)間的變化來(lái)評(píng)價(jià)Janus蒸發(fā)器的產(chǎn)水性能（圖2a）。結(jié)果表明，蒸發(fā)器的最高蒸發(fā)速率可達(dá)1.38 kg / m2 / h，并具有86.9％的相應(yīng)轉(zhuǎn)化效率（圖2b）。蒸發(fā)后，收集到的水樣鹽度明顯下降，均低于世界衛(wèi)生組織（WHO）和美國(guó)環(huán)境保護(hù)局（EPA）設(shè)定的飲用水標(biāo)準(zhǔn)。其中Na+、Mg2+、K+和Ca2+離子的濃度均已降低了至少4個(gè)數(shù)量級(jí)（圖2d）。結(jié)果表明該蒸發(fā)器產(chǎn)生的水足夠清潔，可以飲用，從而證明了其在清潔水生產(chǎn)中的有效性。作者又將蒸發(fā)器浸入強(qiáng)酸或強(qiáng)堿溶液中9天，圖2e顯示了蒸發(fā)前后樣品的pH值，可見(jiàn)得到的凈化水接近中性，并且蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率基本不受影響，表明其對(duì)化學(xué)腐蝕的高穩(wěn)定性。

圖2 Janus蒸發(fā)器的太陽(yáng)能產(chǎn)水性能

【除鹽和自修復(fù)疏水性】

圖3a展示了親水性蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率在3小時(shí)后明顯低于具有疏水表面的Janus蒸發(fā)器。即使8小時(shí)后，Janus蒸發(fā)器的上部也沒(méi)有出現(xiàn)明顯的沉積鹽，但能在親水性蒸發(fā)器的孔中發(fā)現(xiàn)大量的沉積鹽（圖3b）。作者使用計(jì)算機(jī)斷層掃描成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)，疏水層的亮度接近于背景的亮度，表明幾乎沒(méi)有鹽的積累（圖3c，d）。這些結(jié)果證明了疏水部分不利于鹽的沉積，進(jìn)一步證實(shí)了Janus蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的合理性。作者還利用了PDMS的自修復(fù)疏水性來(lái)抵抗光化學(xué)損傷，在紫外線的照射下，PDMS表面的疏水性逐漸變差，但能在5分鐘內(nèi)恢復(fù)（圖4a）。這是由PDMS大分子鏈段的熱運(yùn)動(dòng)引起的，由氧化引起的表面親水性可通過(guò)加熱來(lái)加速聚合物內(nèi)部疏水基團(tuán)的遷移而恢復(fù)為疏水性（圖4b）。作者通過(guò)PDMS的自修復(fù)疏水性為Janus蒸發(fā)器提供了長(zhǎng)期而高效的除鹽性能。

圖3 Janus蒸發(fā)器的除鹽性能

圖4 PDMS的自修復(fù)疏水性

總結(jié)：作者報(bào)道了一種具有長(zhǎng)期除鹽性能的蒸發(fā)器，其穩(wěn)定出水量為1.38 kg / m2 / h，相應(yīng)的效率為86.9％。所用的PDMS涂層具有出色的可修復(fù)疏水性能，能夠抵抗光化學(xué)損傷，從而使Janus蒸發(fā)器具有長(zhǎng)期除鹽的特性。該Janus蒸發(fā)器在連續(xù)運(yùn)行400分鐘或間歇工作90天的過(guò)程中，其展現(xiàn)出的穩(wěn)定蒸發(fā)速率使其在太陽(yáng)能海水淡化領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。