利用可再生的太陽能使鹽水界面蒸發(fā)的技術(shù)為緩解全球水資源短缺提供了有效的途徑。當前，該領(lǐng)域的研究側(cè)重于追求穩(wěn)定的水蒸發(fā)率，從而保證水的產(chǎn)量。然而，鹽在蒸發(fā)器上的沉淀也逐漸成為一個關(guān)鍵問題。盡管有研究已經(jīng)證明了具有上層疏水和下層親水的Janus結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器是抑制鹽沉淀的有效策略，但疏水層上的有機基團在水和紫外光的暴露下會氧化分解，從而導致表面疏水性變差。

美國加州大學河濱分校殷亞東教授等人通過利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）在光化學損傷下的自修復表面疏水性，提出了一種具有高效除鹽性能的Janus蒸發(fā)器，可確保其長期的表面疏水性。該上層覆蓋有PDMS的Janus蒸發(fā)器具有出色的除鹽能力，當在陽光照射下連續(xù)工作400分鐘或間歇工作90天時，其穩(wěn)定蒸發(fā)速率為1.38 kg / m2 / h。結(jié)合長期除鹽和高效蒸發(fā)的優(yōu)勢，該Janus蒸發(fā)器具有從海水中穩(wěn)定生產(chǎn)清潔水的廣闊前景。該研究以題為“Janus Evaporators with Self-Recovering Hydrophobicity for Salt-Rejecting Interfacial Solar Desalination”的論文發(fā)表在《ACS Nano》上。

【Janus蒸發(fā)器的制備】

作者將三聚氰胺泡沫（MF）用作水傳輸?shù)亩嗫坠羌埽缓蟛捎媒糠▽ε菽M行改性（圖1a）。作者對MF的上部進行PDMS修飾，在浸涂過程中，PDMS前體用己烷稀釋，以防止在MF內(nèi)形成塊狀結(jié)構(gòu)，從而保持MF的多孔性。作者還將石墨顆粒嵌入薄層中，其可作為一種光吸收劑，來增強蒸發(fā)器的光熱轉(zhuǎn)化效率。MF的下部仍然保持親水的多孔結(jié)構(gòu)，來保證蒸發(fā)器的隔熱和輸水性能。上層的親水-疏水平衡可以通過PDMS的量來控制，從而可以方便地調(diào)控水的蒸發(fā)速率。憑借PDMS的重建硅氧烷鍵的能力，其表面疏水性能可實現(xiàn)自我修復，從而實現(xiàn)Janus蒸發(fā)器的長期耐鹽性能。

圖1 Janus蒸發(fā)器的制備

【產(chǎn)水性能】

作者通過在太陽光照下繪制由于水蒸發(fā)引起的質(zhì)量隨時間的變化來評價Janus蒸發(fā)器的產(chǎn)水性能（圖2a）。結(jié)果表明，蒸發(fā)器的最高蒸發(fā)速率可達1.38 kg / m2 / h，并具有86.9％的相應轉(zhuǎn)化效率（圖2b）。蒸發(fā)后，收集到的水樣鹽度明顯下降，均低于世界衛(wèi)生組織（WHO）和美國環(huán)境保護局（EPA）設(shè)定的飲用水標準。其中Na+、Mg2+、K+和Ca2+離子的濃度均已降低了至少4個數(shù)量級（圖2d）。結(jié)果表明該蒸發(fā)器產(chǎn)生的水足夠清潔，可以飲用，從而證明了其在清潔水生產(chǎn)中的有效性。作者又將蒸發(fā)器浸入強酸或強堿溶液中9天，圖2e顯示了蒸發(fā)前后樣品的pH值，可見得到的凈化水接近中性，并且蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率基本不受影響，表明其對化學腐蝕的高穩(wěn)定性。

圖2 Janus蒸發(fā)器的太陽能產(chǎn)水性能

【除鹽和自修復疏水性】

圖3a展示了親水性蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率在3小時后明顯低于具有疏水表面的Janus蒸發(fā)器。即使8小時后，Janus蒸發(fā)器的上部也沒有出現(xiàn)明顯的沉積鹽，但能在親水性蒸發(fā)器的孔中發(fā)現(xiàn)大量的沉積鹽（圖3b）。作者使用計算機斷層掃描成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)，疏水層的亮度接近于背景的亮度，表明幾乎沒有鹽的積累（圖3c，d）。這些結(jié)果證明了疏水部分不利于鹽的沉積，進一步證實了Janus蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的合理性。作者還利用了PDMS的自修復疏水性來抵抗光化學損傷，在紫外線的照射下，PDMS表面的疏水性逐漸變差，但能在5分鐘內(nèi)恢復（圖4a）。這是由PDMS大分子鏈段的熱運動引起的，由氧化引起的表面親水性可通過加熱來加速聚合物內(nèi)部疏水基團的遷移而恢復為疏水性（圖4b）。作者通過PDMS的自修復疏水性為Janus蒸發(fā)器提供了長期而高效的除鹽性能。

圖3 Janus蒸發(fā)器的除鹽性能

圖4 PDMS的自修復疏水性

總結(jié)：作者報道了一種具有長期除鹽性能的蒸發(fā)器，其穩(wěn)定出水量為1.38 kg / m2 / h，相應的效率為86.9％。所用的PDMS涂層具有出色的可修復疏水性能，能夠抵抗光化學損傷，從而使Janus蒸發(fā)器具有長期除鹽的特性。該Janus蒸發(fā)器在連續(xù)運行400分鐘或間歇工作90天的過程中，其展現(xiàn)出的穩(wěn)定蒸發(fā)速率使其在太陽能海水淡化領(lǐng)域中具有廣闊的應用前景。