随着人口爆炸式增长和水污染问题的日益严重，人类正面临着日益严重的淡水短缺危机。据联合国大学环卫研究所在2019年发布的统计报告，到2025年全球约 60% 的地区将面临严重的资源短缺，并随着时间变化可能会更严重。最近，因其缓解水资源短缺的潜力，基于蒸汽发生的太阳能驱动水净化技术引起了极大的关注。该技术通过光热转化材料和有限的蒸发界面，将太阳能转化为热量并限制在一个蒸发界面上，减少热能的对流和辐射损耗，以此增加太阳能的蒸发效率。在各类先进材料中，水凝胶因其成型快、塑性方便、成本低和易于调控的化学组分等优点，在构建太阳能界面蒸发器（solar-driven vapor generators, SVGs）方面收到了广泛的关注。特别是，水凝胶富含氢键位点，可通过形成氢键结合水激活内部水分子，从而减少水蒸发的能量需求。然而，大多数报道的水凝胶基SVGs的内部网络结构是无序的，大大降低了水凝胶基SVG内部水的运输速率和负载光热剂的光吸收率，从而限制了其蒸发速率。
为改善这一问题，中南大学刘又年教授研究团队师法自然，开发设计了一种具有垂直网络结构的聚乙烯醇/普鲁士蓝（PVA/PB）复合水凝胶，用于在广泛的海水、重金属和有机染料污染的工业废水中获取宝贵的淡水资源（图1）。
图1. 仿生维管结构（垂直网络结构）的PVA/PB复合凝胶SVG在海水中进行太阳能蒸发的示意图。
为了获得维管结构的水凝胶，通过简单的冰晶生长方法，将PVA/PB混合溶液倒入模具中，再缓慢浸入到–60°C的低温乙醇浴中进行定向冻结，而后利用高浓度的柠檬酸钠溶液进行PVA晶体的盐析，以形成毫米至纳米级别的跨尺度网络结构（图2）。
图2. (a) 通过定向冷冻和盐析合成PVA/PB水凝胶的过程示意图，(b)显示PVA水凝胶的微观和纳米结构，(c) PVA / PB水凝胶。
制备得到的维管结构水凝胶，相比较于无序网络结构的水凝胶具有更快的水运输速率。在排除水占位效应干扰的PVA气凝胶中，维管结构的气凝胶展现出高达1.6 cm·cm–2的水运输速率，基本符合理论计算结果（图3）。此外，该结构带来了更为卓越的光热转化效率，3 min内PVA/PB气凝胶可以从室温迅速升温到180°C。得益于改善的水运输速率和光吸收能力，PVA/PB水凝胶SVG在3.5 wt%的模拟海水中展现出高达3.44 ± 0.17 kg·m−2h−1的蒸发速率，且经过四次循环后仍具有优异的蒸发速率（3.24 kg·m−2h−1）。此外，在使用黄海海水作为海水淡化源的情况下，自然光照一天，每平米该蒸发器可产生19.81 L的淡水，足够六口之家一天的饮用。并且，无论是海水还是工业污水，提纯后的淡水中的离子浓度都在WHO的饮用水标准之内（图4）。
图3. (a) 具有不同网络结构气凝胶的SEM截面图和示意图；(b) 气凝胶的水接触角(CA)测试示意图及不同网络结构气凝胶的CA图像；(c) 不同网络结构气凝胶的CA测量结果；(d) 吸水速度与气凝胶孔径的关系，图中为各种气凝胶60 s内的水吸附高度，水用0.1%甲基橙染色。
图4. (a) 淡水收集系统示意图；(b)用于户外测试的淡化装置；(c) 一天中室外太阳辐照强度和纯水收集量；(d) 在海水淡化前后测量实际海水样品中四种主要离子的浓度；(e) 净化前后金属元素或有毒元素的浓度。
以上工作以“VasculaturalHydrogel Combined with Prussian Blue for SolarDriven Vapor Generation”为题发表了在《Journal of Materials Chemistry A》杂志上。论文第一作者为中南大学博士研究生王伟，陈万松、厉江华和刘又年教授为论文的共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金面上项目（21878342）和湖南省自然科学基金（2021JJ30788）等项目的经费支持。
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来源：高分子科学前沿
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