收集太阳能用于海水和污水净化是缓解水资源短缺压力的一种可持续且价格合理的解决方案。然而，在太阳能蒸汽生产的基本过程中，即将阳光转化为热能的过程，严重依赖于高光强度，因此效率很低。近年来的研究表明，当从阳光转换的热能限域在空气-水界面时，这一缺点可以得到缓解。在这一点上，许多材料已经被建造来探索太阳能蒸汽的产生，但它们中的大多数表现出有限的蒸发速率。因此，为了满足实际应用，制备高效、稳定的材料是非常需要的。
近日，清华大学王训、天津理工大学匙文雄团队合作，在Advanced Functional Materials上发表文章“Architecting Hybrid Donor-Acceptor Dendritic Nanosheets Based on Polyoxometalate and Porphyrin for High-Yield Solar Water Purification”，报道了一种由磷钼酸(PMA)团簇和卟啉配体组成的新型杂化供体-受体树枝状纳米片（DNS）。实验结果和分子动力学模拟表明，PMA和卟啉是定向附着并组装成稳定的纳米结构。由于其独特的结构和光敏元件的优势，在1-sun照射下，DNS的蒸发率高达2.23 kg m-2 h-1，能源效率为90.9%，通过与现有的创新技术结合，进一步开发出DNS-M-C,即使在接近自然阳光强度0.5-sun的照射下，蒸发率也达到1.31 kg m-2 h-1，超过了绝大多数报道的蒸发器。此外，该蒸发器还显示了基于光热蒸馏的优秀海水淡化和废水净化，突出了其在水净化方面的潜在应用。该工作制备的DNS材料在高分辨率透射电镜(HRTEM)和高角度环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)图像中，可以明显观察到有序的通道，相邻簇之间的距离为1.1 nm，能量色散x射线(EDX)元素映射和线扫描光谱揭示了碳、N、O、P、Mo和Cu元素的存在和均匀分布。原子力显微镜(AFM)检测到DNS的边缘厚度为6 nm。为了进一步了解结构特征，对DNS进行了超声波剥离法，只检测到少量的独立纳米片，这表明DNS具有良好的结构稳定性。通过分子动力学模拟研究了DNS的形成过程和结构稳定性中，从能量的角度对其进行了详细的研究，结果表明PMA团簇与卟啉之间的主要相互作用是静电相互作用，这进一步说明了DNS的稳定性。而PMA与CTAB之间的相互作用能，尤其是库仑能远远高于TPyP-Cu与CTAB之间的相互作用能，说明PMA与CTAB之间的相互作用是CTAB分子调控的主要驱动力。根据DNS独特的结构和光敏成分，采用真空过滤的方法将DNS负载到薄膜上（命名为DNS-M），研究其太阳能蒸汽蒸发。如下图a所示该膜的水接触角为136.5°，表现出良好的疏水性。为了研究DNS-M的光热特性，利用红外相机对其在1-sun太阳照射下的温度变化进行了监测，如图c所示，DNS-M的表面温度在60 s时从24.7°C迅速上升到75.7°C，在81.5°C达到了平衡，相比之下，空白膜的温度波动较小，说明树枝状纳米片的光热性能是由其决定的，且DNS-M具有出色的光热响应能力。基于DNS-M独特的结构和出色的光热转换性能，对其太阳能蒸汽产生进行了探索。将DNS-M切割成直径为1.8 cm的小块，在气-水界面上漂浮，蒸发过程中DNS-M的温度瞬间上升，最终达到45.8°C，低于干态DNS-M，这表明DNS-M能有效地将太阳能转化为蒸汽。测量不同量的DNS-M在1-sun下随时间变化的蒸发速率。在初始阶段，随着物料添加量的增加，DNS- M的蒸发速率有所提高，当负载4 mg DNS时，蒸发速率可达2.23 kg m-2 h-1。此外，DNS-M的蒸发速率在10个循环中几乎不变，证明DNS-M具有长期的稳定性。为考察DNS-M的水处理能力，进行了海水淡化和污水处理。如下图a所示，1-sun下，海水的质量随时间变化高达2.15 kg m-2 h-1。更重要的是，根据ICP-OES的结果，四种初级离子(Na+、Mg2+、K+、Ca2+)的浓度在脱盐后显著降低了3 ~ 4个数量级。
采用先进的材料和创新的技术可以提高蒸发速率。根据文献报道，加速水从容器到蒸发器的转移是一种值得推广的技术，以提高太阳蒸发性能。因此，研究人员将DNS-M与上述技术结合进一步开发出DNS- M - C设备。与DNS-M相比，DNS-M- C的蒸发速率明显增加，在0.5、1和2-sun下分别达到1.31、2.72和5.42 m-2 h-1, 其性能几乎超过了所有报道的蒸发器。
来源：高分子科学前沿
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