??隨著人口增長(zhǎng)和水污染的日益嚴(yán)重，人類(lèi)面臨著嚴(yán)重的水資源匱乏問(wèn)題。如何解決水資源短缺成為人類(lèi)面臨的最大難題之一。地球上豐富的太陽(yáng)能資源使得太陽(yáng)能蒸發(fā)水成為最有發(fā)展前景的海水淡化的技術(shù)之一。與其他技術(shù)相比，太陽(yáng)能蒸發(fā)水沒(méi)有消耗除太陽(yáng)能外的其他能源，具有環(huán)境友好，成本低等優(yōu)勢(shì)，是一種清潔、便攜的水處理技術(shù)，成為人們追逐的熱點(diǎn)。近年來(lái)，研究人員制備了多種太陽(yáng)能蒸發(fā)材料，但是蒸發(fā)裝置仍然存在制造過(guò)程復(fù)雜，蒸發(fā)效率較低，耐久性較差和不可重復(fù)使用等缺點(diǎn)。

近日，青島大學(xué)劉敬權(quán)教授、青年教師李晨蔚與中科院化學(xué)所劉琛陽(yáng)研究員等人基于低成本商用泡沫（MF），制造了大尺寸、堅(jiān)固耐用的雙層聚合物泡沫，用于太陽(yáng)能海水淡化。利用雙層結(jié)構(gòu)，不同的功能被巧妙的分配到不同的層結(jié)構(gòu)中。頂部的聚吡咯層負(fù)責(zé)光熱轉(zhuǎn)換和蒸發(fā)水，底部的泡沫層負(fù)責(zé)輸送水和減少熱量耗散。在一個(gè)模擬太陽(yáng)光照下，雙層泡沫表現(xiàn)出高蒸發(fā)速率（1.574 kgm-2h-1）和優(yōu)異的蒸發(fā)效率（90.4％）。一系列連續(xù)的嚴(yán)苛測(cè)試中（超聲、高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和反復(fù)擠壓），雙層泡沫表現(xiàn)出優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在長(zhǎng)達(dá)30天的蒸發(fā)海水測(cè)試中，雙層泡沫可以保持結(jié)構(gòu)完好和穩(wěn)定的蒸發(fā)性能，顯示出優(yōu)異的防污性能和可重復(fù)使用性。該團(tuán)隊(duì)還展示了兩種簡(jiǎn)單的蒸發(fā)設(shè)備原型，分別用于陸地和水上。低成本、大尺寸、耐用的太陽(yáng)能海水淡化裝置在自然陽(yáng)光條件下高效、穩(wěn)定地產(chǎn)生淡水，這有望緩解水資源匱乏地區(qū)的淡水供應(yīng)問(wèn)題。

圖文速遞

Figure1.（a）雙層聚合物泡沫制備過(guò)程示意圖和（b）雙層聚合物泡沫的太陽(yáng)能蒸汽產(chǎn)生機(jī)理。

Figure2.（a-c）逐步制備雙層聚合物泡沫的圖片。（a）原始MF，（b）預(yù)壓MF-2和（c）雙層聚合物泡沫的照片;（d）原始MF和（e）預(yù)壓MF-2的SEM圖像;（f-h）雙層泡沫的結(jié)構(gòu)。（f）下層MF層，（g）上層聚吡咯層和（h）交界處橫截面的SEM圖片;（i）原始MF和預(yù)壓MF-（2,3,4）在80%形變率下的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線;（j）預(yù)壓MF-（2,3,4）與其他多孔材料（碳基、聚合物基、無(wú)機(jī)基和金屬基多孔材料）的壓縮性能對(duì)比;（k）原始MF和預(yù)壓MF-2吸附紅色墨水后的照片。

Figure3.（a）聚吡咯粉末，聚吡咯層和MF層的TGA曲線;（b）雙層泡沫的聚吡咯層的透射和反射光譜。插圖：通過(guò)接觸角測(cè)試，顯示出聚吡咯層具有優(yōu)異的親水性;（c）雙層聚合物泡沫在空氣中20次壓縮（黑色線）和回復(fù)（橙色線）循環(huán)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線;（d）雙層聚合物泡沫在水中20次壓縮（黑色線）和回復(fù)（橙色線）循環(huán)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線;（e）雙層泡沫的聚吡咯層和MF層的導(dǎo)熱率; （f）雙層聚合物泡沫在一系列連續(xù)苛刻穩(wěn)定性中保持結(jié)構(gòu)完好：（g）超聲（400 W，2 h），（h）高溫（95°C，1 h），（i）循環(huán)壓縮（10個(gè)循環(huán)），（j）酸性（pH~1,24 h）和（k）堿性（pH~14,24h）環(huán)境。

Figure 4.（a）太陽(yáng)能蒸發(fā)水測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖;（b）將圓柱狀的雙層泡沫放置在具有相似尺寸和厚壁的容器中以減少周?chē)h(huán)境對(duì)測(cè)試的影響; （c）雙層泡沫蒸發(fā)水過(guò)程的示意圖;（d）在一個(gè)模擬太陽(yáng)光照下，雙層泡沫、單層聚吡咯泡沫和沒(méi)有任何太陽(yáng)能吸收器的情況下，水的質(zhì)量隨時(shí)間的變化;（e）在一個(gè)模擬太陽(yáng)光照下，雙層聚合物泡沫蒸發(fā)水過(guò)程中的溫度變化;（f）不同光照強(qiáng)度下，雙層泡沫蒸發(fā)水的質(zhì)量隨時(shí)間的變化曲線;（g）雙層聚合物泡沫與其他文獻(xiàn)的太陽(yáng)能蒸發(fā)效率對(duì)比圖;（h）海水樣品（黃海）經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能海水淡化前后四種主要離子的濃度變化圖; （i）在一個(gè)模擬太陽(yáng)光照下，雙層泡沫在30個(gè)循環(huán)測(cè)試中的蒸發(fā)速率曲線;（j）經(jīng)過(guò)30個(gè)循環(huán)測(cè)試后的雙層泡沫的照片;（k）循環(huán)測(cè)試和脫鹽處理后的雙層泡沫的SEM圖片。

Figure 5.（a）基于雙層聚合物泡沫，用于陸地上的太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)原型;（b）在自然光照條件下，太陽(yáng)能海水淡化裝置的照片;（c）在自然光照條件下，蒸發(fā)水質(zhì)量、環(huán)境溫度和太陽(yáng)光強(qiáng)度隨時(shí)間的變化;（d）基于雙層聚合物泡沫，用于水上的太陽(yáng)能淡化系統(tǒng)的原型船;（e）原型船在水上航行的照片。

這種成本低、制備過(guò)程簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用的雙層聚合物泡沫對(duì)于太陽(yáng)能蒸發(fā)裝置的工業(yè)化和應(yīng)用部署具有重要意義。相關(guān)研究結(jié)果以Scalable and robust bilayer polymer foams forhighly efficient and stable solar desalination為題發(fā)表在Nano Energy上。該論文第一作者為青島大學(xué)青年教師李晨蔚和研究生姜德剛，通訊作者為劉敬權(quán)教授和李晨蔚。該工作獲得中國(guó)自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后面上項(xiàng)目和山東省自然科學(xué)基金的支持。

全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.03.087