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2019-07-03
??淡水是一種有限的自然資源，它對(duì)所有生態(tài)系統(tǒng)的生存至關(guān)重要。如今，超過(guò)40億人受到嚴(yán)重淡水短缺的影響。隨著人口增長(zhǎng)，淡水資源的污染和氣候變化，提供充足和安全的淡水具有更大的挑戰(zhàn)性。因此，開發(fā)高效，低成本和可擴(kuò)展的技術(shù)來(lái)凈化豐富的海水和廢水是十分迫切的。太陽(yáng)能水凈化能使用可再生能源蒸餾水，去除水中污染物，是一種很有希望緩解淡水稀缺的技術(shù)。但是，水蒸發(fā)所需要的高能量限制了自然陽(yáng)光下的水純化產(chǎn)量。發(fā)展與設(shè)計(jì)可降低水蒸發(fā)能量需求的新材料可實(shí)現(xiàn)高效快速的太陽(yáng)能水凈化。
近日，國(guó)際頂尖期刊Science Advances報(bào)道了美國(guó)德州奧斯汀分校余桂華教授課題組構(gòu)建的一種具有高度可水合聚合物網(wǎng)絡(luò)的光吸收水凝膠（h-LAH）用于太陽(yáng)能水凈化。此水凝膠由具有光熱轉(zhuǎn)換性能的聚吡咯（PPy）和聚乙烯醇（PVA）與殼聚糖（chitosan）組成的高分子網(wǎng)絡(luò)形成。由于水分子與高分子鏈上官能團(tuán)的相互作用，水合聚合物網(wǎng)絡(luò)中存在三種水，分別為結(jié)合水，中間水和自由水。水凝膠中的聚合物鏈可以通過(guò)強(qiáng)相互作用（如氫鍵）捕獲附近的水分子，形成結(jié)合水（圖1，深藍(lán)色區(qū)域）。相反，遠(yuǎn)離聚合物鏈的水分子（稱為自由水,FW）表現(xiàn)出與純水相同的性質(zhì)（圖1，淺藍(lán)色區(qū)域）。
在結(jié)合水和自由水之間的中間區(qū)域（圖1，黃色區(qū)域），水分子與聚合物鏈和相鄰水分子呈現(xiàn)相對(duì)微弱的相互作用，稱為中間水(IW)。與純水相比，中間水可以通過(guò)更少的能量蒸發(fā)。此文通過(guò)調(diào)控聚合物與水的相互作用，改變了水凝膠中的水狀態(tài)以及水相變行為，降低了水蒸發(fā)的能量需求。基于h-LAH的太陽(yáng)光水蒸發(fā)在一個(gè)太陽(yáng)光下的蒸發(fā)速率可以提高到3.6kg m-2h-1，能用于去除各種可溶性離子污染物，具有防污功能和耐久性，可實(shí)現(xiàn)高效，可擴(kuò)展且經(jīng)濟(jì)高效的太陽(yáng)能水凈化。
圖1.基于h-LAH的太陽(yáng)能水蒸氣的產(chǎn)生
為了降低水蒸發(fā)的能量需求，此文構(gòu)建了由不同比例的PVA和殼聚糖組成的聚合物網(wǎng)絡(luò)。隨殼聚糖比例的增加，h-LAHs的水合性逐漸提高。這是由于殼聚糖鏈上存在高度可水合的-NH2基團(tuán)（圖2B），與-OH集團(tuán)相比它能吸收更多的水分子。除此以外，h-LAHs中IW的含量也隨殼聚糖比例的提高而增加（圖2C），降低了水的蒸發(fā)焓（圖2D）。因此，通過(guò)調(diào)控聚合物與水之間的相互作用，水的狀態(tài)以及其相變行為可被改變。
圖2.h-LAH中的可調(diào)節(jié)的水狀態(tài)和蒸發(fā)焓
h-LAH不僅可用于高效太陽(yáng)能海水淡化，還可用于純化酸，堿以及除去重金屬離子，在凈化含有多種離子污染物的工業(yè)污水方面有巨大的潛力（圖3）。
圖3.基于h-LAH的太陽(yáng)能水蒸發(fā)
參考文獻(xiàn)：Architecting highly hydratable polymer networksto tune the water state for solar water purification. Xingyi Zhou, Fei Zhao, Youhong Guo,Brain Rosenberger, Guihua Yu. Sci. Adv.,2019, 5, eaaw5484. DOI: 10.1126/sciadv.aaw5484
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