AFM||通過可調結構和潤濕性實現的熱自適應界面太陽能蒸發器，用于實現高效水能與電能的聯合利用

研究背景

針對當前界面太陽能蒸發器因缺乏動態調節能力而難以適應復雜環境變化、易受鹽結晶堵塞及功能單一等問題，本研究提出并構建了一種基于溫度響應性聚合物聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）的熱適應性界面太陽能蒸發器。通過引入丙烯酸（AA）共聚形成聚（NIPAM-AA）雙網絡體系，有效解決了純PNIPAM機械性能差、結構不穩定的缺陷，同時增強了吸水能力和功能可擴展性。進一步采用N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）和瓊脂（AG）構建動態多網絡結構，精準調控聚合物鏈的運動自由度，在保留溫度敏感性的前提下確保結構穩定與機械韌性。為優化光熱轉換性能，引入原位生長的ZIF-67@CNTs復合材料作為光熱層，利用ZIF-67的多孔結構與Co2+配位效應協同改善潤濕響應、離子傳輸及耐鹽性能。該蒸發器利用PNIPAM的低臨界溶解溫度特性，實現低溫（ LCST）時分子內氫鍵主導的疏水釋水狀態之間的可逆轉變，從而動態調節潤濕性與離子濃度，抑制鹽結晶。同時，熱馬蘭戈尼效應與溶質馬蘭戈尼效應協同作用，利用溫度梯度和濃度差促進離子回流與水分反向傳輸，顯著增強抗鹽穩定性。該研究為構建具有環境自適應能力的高效、穩定、多功能太陽能蒸發器提供了新的設計思路。

基于該設計，這種熱自適應蒸發器在動態環境中實現了性能的自我優化。在一個太陽輻射下，蒸發速率穩定在3.88 kg m?2 h?1，輸出功率為103.3 mW/m2。在復雜水處理過程中，亞甲藍染料和乳化廢水的去除效率超過99.9%，顯示出優異的實用性。本研究通過雙單體體系和雙交聯網絡的創新設計，解決了純PNIPAM水凝膠在界面蒸發應用中的核心缺陷。研究揭示了結構調控、潤濕優化、熱響應特性與水-電解質共產之間的內在關系，為高性能界面太陽能蒸發器的發展提供了新思路。

相關研究以“Thermo-Adaptive Interfacial Solar Evaporators Enhancedby Tunable Structure and Wettability for High-Efficiency Water and Electricity Cogeneration”為題，發表在國際知名期刊《Advanced Functional Materials》。（中科院一區TOP,JCR一區,IF=19）

相關數據

圖1.（一）溫度變化引起的氫鍵變化。（a）當溫度降低時，分子間的氫鍵增強，中間水的含量上升。（b）當溫度升高時，分子內氫鍵的含量大于分子間氫鍵的含量。 （二）溫度的變化會導致潤濕性發生變化，進而引起通道內離子濃度的變化。（a，b）低溫區和高溫區。隨著溫度升高，潤濕性降低，通道內的離子濃度也降低。 （三）兩種馬蘭戈尼效應的共同作用增強了蒸發器的抗鹽性。 （a，b）熱馬蘭戈尼效應和溶質馬蘭戈尼效應。熱馬蘭戈尼效應提高了通過溫度作用的鹽的回流速率。差異。溶質的馬蘭戈尼效應通過在蒸發過程中形成濃度差，從而提高了水的回流速度。

圖2.（a - d）NA-3、NA-4.5、NA-6 和 NA-7.5 的掃描電子顯微鏡圖像。（e）NAZ 的掃描電子顯微鏡圖像。（f1 - f4）NAZ 的能譜圖像。（g、h）ZIF-67@CNTs 的掃描電子顯微鏡圖像。（i）ZIF-67 的掃描電子顯微鏡圖像。（j）不同單體比例下水凝膠的傅里葉變換紅外光譜圖像。（k）ZIF-67@CNTs、ZIF-67 和 CNTs 的 X 射線衍射圖像。

圖3.(a) PNIPAM、PAA、NAZ 和 NA-6 的 DSC 測試。(b,c) 在低溫和高溫條件下進行的吸水測試。(d) 在低溫和高溫條件下的紅外測試。(e) PNIPAM 和 PAA 在冷、熱條件下的接觸角測試。(f) 溫度變化下構象轉變的機制。圖中顯示的誤差線表示三次測試的標準偏差。

圖4.（a）NAZ-ZC 的水合網絡結構。 （b - d）對 NA-3、NA-4.5、NA-6 和 NA-7 的強度測試、TGA 和 DSC 測試。 （e）NA-3、NA-4.5、NA-6 和 NA-7.5 的 IW/FW 值。 （f，g）對 NA-6 和 NAZ 的拉曼光譜測試。

圖5.（a）蒸發示意圖。 （b）不同單體比例的水凝膠的蒸發速率和質量變化。（c）循環測試。 （d、e）水凝膠內部成分與水在低溫和高溫下的相互作用圖。 （f）蒸發器的蒸發速率與 IW/FW 有關。 （g、h）在不同水面暴露高度和太陽輻射強度下蒸發速率的變化。 （i）NAZ-ZC 與其他現有蒸發器的比較。 本章中上述所有的蒸發測試均在 3.5% 重量百分比的 NaCl 溶液條件下進行。 圖中所示的誤差條代表三次測試的標準偏差。

圖6.（a）太陽能轉換示意圖。 （b）水凝膠蒸發器上部與下部之間的溫差。（c）鹽晶體在 NAZ-ZC 表面發生回流。（d）鹽耐受機制示意圖。（e、f）NA 通過鹽的運輸示意圖。（g、h）NAZ 通過鹽的運輸示意圖。（i）不同高度的蒸發速率。（k）鹽耐受和蒸發穩定性測試。（k）循環測試。（l）接觸角測量。本章中上述所有鹽耐受測試均在 15wt.% 的 NaCl 溶液條件下進行。圖中所示的誤差條代表了三次測試的標準偏差。

圖7.（a）戶外蒸發裝置。（b）戶外蒸發測試。 （c，d）水的電阻值和離子濃度測試。（e）水分子和離子在通道中的移動情況。（f）蒸發發電裝置的原理圖。 （g，h）開路電壓和電流曲線。（i）高性能水凝膠蒸發器的對比分析。

研究結論

本研究探討了熱響應性PNIPAM在太陽能蒸發中的應用。制備的NAZ-ZC水凝膠蒸發器具有熱響應結構和可調節性能。在1個太陽光照射下，可實現穩定蒸發速率為3.88 kg m?2 h?1。它可以在15 wt.% 高濃度鹽水中連續產生純水達48小時而不產生鹽分積累。亞甲藍染料和乳化廢水的去除率超過99.9%。此外，該蒸發器可以實現水與電的聯合生產。在1小時的太陽照射下，最大輸出電壓為104.39 mV，電流為98.98 μA，最大輸出功率為103.3 mW/m2。本研究揭示了PNIPAM的作用機制，并為淡水短缺和廢水處理提供了解決方案。所提出的太陽能水與電聯合生產方法有望促進技術創新和工業發展。

DOI:10.1002/adfm.202529792

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