殷亚东团队《ACS Nano》：自修复、疏水性Janus蒸发器解决盐沉积困扰！

来源：高分子科学前沿

利用可再生的太阳能使盐水界面蒸发的技术为缓解全球水资源短缺提供了有效的途径。当前，该领域的研究侧重于追求稳定的水蒸发率，从而保证水的产量。然而，盐在蒸发器上的沉淀也逐渐成为一个关键问题。尽管有研究已经证明了具有上层疏水和下层亲水的Janus结构的蒸发器是抑制盐沉淀的有效策略，但疏水层上的有机基团在水和紫外光的暴露下会氧化分解，从而导致表面疏水性变差。

美国加州大学河滨分校殷亚东教授等人通过利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）在光化学损伤下的自修复表面疏水性，提出了一种具有高效除盐性能的Janus蒸发器，可确保其长期的表面疏水性。该上层覆盖有PDMS的Janus蒸发器具有出色的除盐能力，当在阳光照射下连续工作400分钟或间歇工作90天时，其稳定蒸发速率为1.38 kg / m2 / h。结合长期除盐和高效蒸发的优势，该Janus蒸发器具有从海水中稳定生产清洁水的广阔前景。该研究以题为“Janus Evaporators with Self-Recovering Hydrophobicity for Salt-Rejecting Interfacial Solar Desalination”的论文发表在《ACS Nano》上。

【Janus蒸发器的制备】

作者将三聚氰胺泡沫（MF）用作水传输的多孔骨架，然后采用浸涂法对泡沫进行改性（图1a）。作者对MF的上部进行PDMS修饰，在浸涂过程中，PDMS前体用己烷稀释，以防止在MF内形成块状结构，从而保持MF的多孔性。作者还将石墨颗粒嵌入薄层中，其可作为一种光吸收剂，来增强蒸发器的光热转化效率。MF的下部仍然保持亲水的多孔结构，来保证蒸发器的隔热和输水性能。上层的亲水-疏水平衡可以通过PDMS的量来控制，从而可以方便地调控水的蒸发速率。凭借PDMS的重建硅氧烷键的能力，其表面疏水性能可实现自我修复，从而实现Janus蒸发器的长期耐盐性能。

图1 Janus蒸发器的制备

【产水性能】

作者通过在太阳光照下绘制由于水蒸发引起的质量随时间的变化来评价Janus蒸发器的产水性能（图2a）。结果表明，蒸发器的最高蒸发速率可达1.38 kg / m2 / h，并具有86.9％的相应转化效率（图2b）。蒸发后，收集到的水样盐度明显下降，均低于世界卫生组织（WHO）和美国环境保护局（EPA）设定的饮用水标准。其中Na+、Mg2+、K+和Ca2+离子的浓度均已降低了至少4个数量级（图2d）。结果表明该蒸发器产生的水足够清洁，可以饮用，从而证明了其在清洁水生产中的有效性。作者又将蒸发器浸入强酸或强碱溶液中9天，图2e显示了蒸发前后样品的pH值，可见得到的净化水接近中性，并且蒸发器的蒸发速率基本不受影响，表明其对化学腐蚀的高稳定性。

图2 Janus蒸发器的太阳能产水性能

【除盐和自修复疏水性】

图3a展示了亲水性蒸发器的蒸发速率在3小时后明显低于具有疏水表面的Janus蒸发器。即使8小时后，Janus蒸发器的上部也没有出现明显的沉积盐，但能在亲水性蒸发器的孔中发现大量的沉积盐（图3b）。作者使用计算机断层扫描成像技术发现，疏水层的亮度接近于背景的亮度，表明几乎没有盐的积累（图3c，d）。这些结果证明了疏水部分不利于盐的沉积，进一步证实了Janus蒸发器结构的合理性。作者还利用了PDMS的自修复疏水性来抵抗光化学损伤，在紫外线的照射下，PDMS表面的疏水性逐渐变差，但能在5分钟内恢复（图4a）。这是由PDMS大分子链段的热运动引起的，由氧化引起的表面亲水性可通过加热来加速聚合物内部疏水基团的迁移而恢复为疏水性（图4b）。作者通过PDMS的自修复疏水性为Janus蒸发器提供了长期而高效的除盐性能。

图3 Janus蒸发器的除盐性能

图4 PDMS的自修复疏水性

总结：作者报道了一种具有长期除盐性能的蒸发器，其稳定出水量为1.38 kg / m2 / h，相应的效率为86.9％。所用的PDMS涂层具有出色的可修复疏水性能，能够抵抗光化学损伤，从而使Janus蒸发器具有长期除盐的特性。该Janus蒸发器在连续运行400分钟或间歇工作90天的过程中，其展现出的稳定蒸发速率使其在太阳能海水淡化领域中具有广阔的应用前景。