摘要】

太阳能驱动的界面蒸发已成为一种用于高效、清洁水生产的创新和可持续技术。现实世界的应用依赖于新型低成本、轻质和坚固的材料，这些材料可以集成到一个整体设备中，该设备能够承受开阔水域的各种现实条件。尽管迄今为止相关研究很少，但自修复构件非常需要防止永久性故障、恢复原始功能和维持界面蒸汽发生器的使用寿命。

中国海洋大学徐晓峰教授，和剑桥大学Petri Murto教授团队首次通过表面调制和设备制造中的简单工艺集成自修复水凝胶，展示了具有明确结构的整体式、耐用且自漂浮的界面蒸汽发生器。淡水和盐度范围广泛的盐水（36-210 g kg-1）在 1 太阳下可实现超过 2.0 kg m-2 h-1 的高且稳定的水蒸发率。太阳能蒸发和海水淡化性能是性能最好的界面蒸汽发生器之一，并且超过了大多数由复合聚合物作为结构部件构建的设备。这项研究提供了一个视角，并强调了自修复和耐损坏材料的未来机会，这些材料可以同时提高实际应用中界面蒸汽发生器的性能、耐用性和寿命。相关论文以题为发表在《Advanced Functional Materials》上。

【主图导读】

团队利用聚乙烯醇 (PVA)、海藻酸钠 (SA) 和聚丙烯酸钠 (PAAS) 的高度亲水性、多孔性和广泛的氢键网络的优点，制备了一系列具有双重增强网络的复合水凝胶。由化学和物理交联产生的动态共价键和非共价相互作用的存在赋予水凝胶良好的机械性能和快速自愈能力。PAAS 的适当掺入进一步提高了保水性，并导致水凝胶具有出色的耐盐性。通过将自修复水凝胶与简单的表面调制和设备制造相结合，首次展示了具有明确结构的整体式、耐用和自浮动界面蒸汽发生器（图 1）。

图1 该研究中开发的界面蒸汽发生器的示意图和工作原理。

水凝胶制备、成分优化和自愈特性

PVA是一种水溶性合成聚合物，由于其高亲水性、低毒性、生物相容性、生物降解性、良好的机械强度和易加工性，被认为是各种聚合物复合材料的合适主体材料。SA 是一种天然存在的阴离子聚合物，很容易从棕色海藻中提炼出来，它由以不同序列或嵌段排列的甘露糖醛 (M) 和古洛糖醛 (G) 单元组成。SA由于其生物相容性、无毒、低成本和温和的凝胶化而广泛用于许多食品和生物医学应用。在这项研究中，PVA 被用作基质并与不同量的 SA 混合，形成一系列流体状凝胶（物理凝胶）。没有化学交联的 PVA 和 SA 凝胶称为 PVA/SA 凝胶。制备不同凝胶和水凝胶的化学机理和反应如图 2 所示。

图2 复合凝胶和水凝胶的制备流程图。

为了在复合水凝胶中找到理想的 PVA 和 SA 比例以及适当胶凝所需的最小硼砂浓度，将不同体积的硼砂溶液（10 wt% 的水）加入到 PVA（10 wt% 的水中）和 SA（ 3.5 重量％在水中）溶液。在图 3a 中，数字对应于两个系列溶液中硼砂：PVA 和硼砂：SA 的重量比。通过具有能量色散 X 射线光谱仪的扫描电子显微镜 (SEM) 进行的元素映射表明 Na、B、C 和 O 在微观结构水平上均匀分布在整个 cl-PVA/SA/PAAS 水凝胶中，表明整个水凝胶中的材料（SA 和 PAAS）和交联点（图 3b）。

图3 a) PVA/SA 凝胶理想凝胶化的组分调制。b) cl-PVA/SA 水凝胶中的元素映射。c) 光学显微镜图像和 d) cl-PVA/SA 水凝胶自修复特性的数码照片。

机械和流变特性

进行了一系列单轴拉伸试验以阐明 cl-PVA/SA 水凝胶在自愈前后的机械性能（图 4a）。首先，将六种 cl-PVA/SA 水凝胶（不同的 PVA:SA 比例为 1:0 和从 1:5 到 5:1 以及固定加载量的硼砂）切成相同尺寸（40 × 10 × 3 毫米）。图 4b 显示了六个试样的拉伸应力-应变曲线，相应的机械参数总结在图 4c 中。

图4 a) 拉伸试验装置和试样。b) 拉伸应力-应变曲线和 c) cl-PVA/SA 水凝胶的机械性能总结。d) 拉伸应力-应变曲线和 e)自修复 cl-PVA/SA 水凝胶的机械性能总结。f) 不同自修复时间下的拉伸应力-应变曲线和 g) 自修复 cl-PVA/SA (2:1) 水凝胶的机械性能总结。在 h) 应变扫描和 i) 频率扫描下 cl-PVA/SA (2:1) 水凝胶的 G' 和 G"。

界面蒸汽发生器的制造

三个界面蒸汽发生器（SG1、SG2 和 SG3）是利用自修复水凝胶的优势制造的（图 5a）。

图5 a) 界面蒸汽发生器装置制造工艺流程图。b) SG1、SG2 和 SG3 中太阳能吸收器的示意图和估计表面积。

图6 a）界面蒸汽发生器中结构部件的示意图和横截面SEM图像。b) 水凝胶随时间的吸水率。c) 染色的 cl-PVA/SA/PAAS 水凝胶的 UV-vis-NIR 吸收光谱。d) 界面蒸汽发生器的平均表面温度。e) 界面蒸汽发生器在 1 太阳下随时间变化的红外图像。f) 在 1 个太阳下，水随时间的质量变化。g)SG3超过9小时的长期稳定性测试。h) 纯水和不同含水量的 cl-PVA/SA/PAAS 水凝胶的 DSC 曲线和 i) cl-PVA/SA/PAAS水凝胶中水的拉曼光谱和谱带拟合。

图7 a) 基于渗透泵效应的太阳能海水淡化示意图。b) 1 太阳下不同 PAAS 含量的 SG3 太阳能脱盐。c) SG3 在盐度范围很广的盐水中的水分蒸发率。d) 太阳能淡化过程中 SG3 表面的数码照片。e) SG3 在室内环境中超过 2 个月的同步水分蒸发率和光照强度。f) 盐水中水凝胶的脱盐率。g) 具有广泛盐度的盐水中水凝胶的失水/失水。h) 太阳能淡化前后海水的一次元素浓度和盐度。

【总结】

总之，通过自修复聚合物水凝胶的轻松集成成功制造了整体式、耐用且自漂浮的界面蒸汽发生器，并证明其可用于高性能太阳能驱动的水蒸发和脱盐。选定的复合聚合物作为水凝胶中的构建块提供了设计的独特优点，其合理性如下：i）利用丰富的动态共价和非共价键，通过化学和物理交联成功形成自修复水凝胶PVA、SA 和 PAAS。它们的保水性、机械性能和自愈能力很容易通过改变材料成分的质量比来调节，从而首次开发出用于界面蒸汽发生器的自愈和耐损坏构件；ii) 表面粗糙度的调节和结构元件（太阳能吸收器和水路）的集成通过自愈过程得到了显着简化； iii) 优化的材料组件和合理的器件结构使整体器件中太阳能吸收、浮力、耐久性、水扩散、热定位和耐盐性的协同管理成为可能。结果，淡水设备在 1 个太阳下达到了 ≈2.2 kg m-2 h-1 的高且稳定的水蒸发率。由于 PAAS 诱导的复合水凝胶内的高渗透压和离子浓度，超过 2.0 kg m-2 h-1 的可比水蒸发率保留在盐度范围从 36 到 210 g kg-1的盐水中。太阳能蒸发和海水淡化性能在效率最高的界面蒸汽发生器中名列前茅，超过了大多数使用 PVA、SA 和 PAAS 作为结构部件构建的装置。这项工作突出了使用自修复水凝胶制造坚固且耐损坏的材料平台的巨大潜力，实现了新一代界面蒸汽发生器，这些蒸汽发生器可以自我减轻物理损伤，避免永久性故障并在各种不同的自然环境中恢复原始功能。