论文奖励丨裂纹≠缺陷！南昌大学这项研究让“裂缝”变身高效蒸发加速器

导读

南昌大学化学化工学院王振兴教授团队在《Science Bulletin》发表仿生裂纹金属-多酚网络涂层新成果。该涂层兼具高效光热蒸发与光催化降解功能，蒸发速率达3.2 kg m⁻² h⁻¹，无需外加催化剂即可降解染料和抗生素，且经历1000次压缩后性能几乎无衰减，为太阳能海水淡化与水修复提供了一体化耐用新方案。

第一作者：胡敏研究生

通讯作者：王振兴教授

发表期刊：Science Bulletin

影响因子(IF):21.1

实验方向：光催化CO₂

发表单位：南昌大学，光热材料课题组

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927325008771

本文中使用的设备：

MC-XS500

本文使用的光源系统

由北京镁瑞臣科技有限公司研发

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人口增长、气候变化与工业需求攀升，使淡水短缺成为亟待解决的全球性挑战。据世界气象组织统计，目前每年至少有36亿人面临月均严重缺水，2050年这一数字预计将突破50亿。传统海水淡化技术虽能扩增淡水供给，但依赖化石燃料的模式存在显著能源与环境缺陷。界面太阳能海水淡化技术以太阳能为驱动，通过光热转换强化水的蒸发冷凝，是极具潜力的可持续替代方案。现有研究多聚焦于提升光吸收与光热转换效率、降低水蒸发焓，却普遍存在水体整体加热导致的热量损耗与蒸发速率受限问题。因此，通过材料设计与结构工程优化蒸发器水流通道，减少热损失、提升蒸发率，成为该领域的关键突破方向。

受限毛细现象借助狭小空间内的粘附力与内聚力作用，可驱动水克服重力实现高效传输，在优化水流、扩大蒸发表面积、提升能量利用率方面，为增强太阳能淡化效率提供了新思路。例如，堆叠纳米球构建的水通道可诱导受限毛细作用，显著提升水蒸发率，但纳米球易在机械压缩下移位脱落，难以实现工业化应用。金属-酚网络（MPNs）是由天然多酚与金属离子构成的粘附性超分子材料，依托氢键、π-π堆积及疏水作用，可在多种基底表面快速成膜。其丰富的多酚与金属离子选择赋予材料可定制的理化特性，在生物医学、催化及太阳能脱盐等领域具有广阔应用前景，或可成为解决上述技术瓶颈的有效方案。

本文亮点：

太阳能驱动的界面脱盐是解决淡水短缺的一个有前途的策略。通过在多孔光热材料的内表面上产生超薄水层，可以通过限制毛细作用来增强水的蒸发。然而，实现限制毛细作用依赖于由聚集的纳米球组成的涂层，这些纳米球在机械压缩下可能会分离，从而限制了它们的实际应用。本文受自然启发的裂纹图案被引入粘性光热超分子材料，金属-酚醛网络涂层，形成C-MPN以实现持久的限制毛细作用。可以控制裂缝模式，以优化通过狭窄通道的水传输，将蒸发率从1.6kg·m-2·h-1提高到3.3kg·m-2·h-1，同时防止海水淡化过程中的盐积聚。此外，裂纹作为缓冲区，显著提高了压缩下C-MPN涂层的机械稳定性(在300次循环后表现出可忽略的变化)——克服了阻碍约束毛细作用实际应用的关键挑战。此外，由于C-MPNs中增强的限制毛细作用，即使光热材料的尺寸增加，也能保持高蒸发性能——这是3D光热材料中罕见的特性。这项工作为具有约束毛细现象的光热涂层的设计提供了基本的见解，为它们在太阳能海水淡化中的应用铺平了道路。

图文解析：

图1. MC-MPNs的示意图。 (a) 传统光热材料内部的互连通道充满水。(b) 具有限域毛细效应的光热材料中的水分布。(c) 压缩前后的光热材料。(d) 无裂纹结构的MPNs在机械压缩下脱落。(e) 裂纹网络赋予鳄鱼皮良好的柔韧性。(f) 叶脉网络确保叶片中的水分传输。(g) MC-MPNs在机械压缩下不会脱落。(h) 裂纹网络赋予MC-MPNs柔韧性和水分传输特性。(i) 多功能蒸发器的应用。

图2. MC-MPNs的制备与表征。 (a) 通过多步浸渍法制备海绵@MC-MPNs。(b) 原始海绵和海绵@MC-MPNs的SEM图像。插图为照片和水接触角。(c) 海绵@MC-MPNs-2的EDX元素分布图。(d) 海绵@MC-MPNs的O 1s XPS谱图拟合。(e) 海绵@MC-MPNs的拉曼光谱。(f) MC-MPNs横截面的SEM图像。(g) MC-MPNs和纯水的低场核磁共振T₂弛豫谱。(h) MPNs中裂纹形成过程。

图3. 海绵@MC-MPNs的光热和水分蒸发性能。 (a) 海绵@MC-MPNs的紫外-可见-近红外吸收光谱。(b) 不同海绵@MC-MPNs在太阳照射下的红外热图像及相关温度变化。(c) 在一个太阳光强下的蒸发性能。(d) 不同海绵@MC-MPNs的2D和3D显微CT图像。(e) 海绵@MC-MPNs中的薄水层。(f-h) 不同海绵@MC-MPNs中水层的显微CT图像。(i) 蒸发过程中不同海绵@MC-MPNs水层的变化。(j) 在一个太阳光强下处理3.5 wt% NaCl溶液6小时，不同海绵@MC-MPNs的蒸发速率。插图为测试后海绵的照片。(k) 在一个太阳光强下，海绵在3.5 wt% NaCl溶液中连续3天（每天6小时）的太阳能蒸发性能。插图为每次循环（6小时）后海绵的照片。

图4. 海绵@MC-MPNs的降解性能。(a) 不同海绵@MC-MPNs在黑暗反应30分钟和1倍太阳光照射1小时后对MB（20 ppm）的降解率。(b) 活性自由基清除剂对海绵@MC-MPNs-2降解MB（20 ppm）的影响。(c) DMPO-·OH、DMPO-·O₂⁻和TEMPO-h⁺的EPR光谱。(d) 海绵@MC-MPNs-2在降解MB前后的Fe 2p XPS谱图。(e) 光-芬顿降解污染物的可能机理。(f) MB溶液降解前后的紫外-可见吸收光谱。插图为MB溶液降解前后的照片。(g) 不同照射时间（10、30和60分钟）后，通过UPLC-TOF/MS分析MB得到的质谱图。(h) MB可能的光-芬顿降解途径。

图5. 海绵@MC-MPNs的抗压性和功能稳定性。 (a) 海绵@MC-MPNs-2和(b) 海绵@MC-MPNs-3在1000次5N压缩循环前后的照片和水接触角。(c, d) (c) 海绵@MC-MPNs-2和(d) 海绵@MC-MPNs-3在压缩前后的SEM图像。(e) 海绵@MC-MPNs-2和(f) 海绵@MC-MPNs-3在压缩前后的结构稳定性示意图。(g) 紫外-可见吸收光谱，(h) 蒸发速率，和(i) 两种海绵在压缩前后的降解速率。(j) 海绵@MC-MPNs-2在20%至80%压缩应变下的应力-应变曲线（插图：放大的20%-80%区域）。

应力-应变分析（20%–80%应变）证实了海绵@MC-MPNs-2的结构韧性，在高应变下逐渐变陡但对齐的曲线表明其有效恢复（图5j）。因此，裂纹结构实现了优异的压缩稳定性。此外，在pH 3–11范围内浸泡3个月后，亲水性、形貌和蒸发性能保持稳定（图S21–S23在线），证实了耐酸碱性能。总的来说，MC-MPNs-2同时实现了限域毛细效应和光降解，用于高效太阳能蒸发/水修复，同时提供了无与伦比的机械/化学稳定性——这对实际应用至关重要。

图6. 使用海绵@MC-MPNs-2的室外太阳能驱动水处理。 (a) 用于MB降解的太阳能蒸发装置示意图。(b, c) 运行中的室外装置（12：00-15：00）。(d, e) 太阳能处理前后的MB溶液。(f) 连续七天的海水蒸发速率。(g) 与最先进的太阳能蒸发器的性能比较。(h) 海水淡化前后的离子浓度。(i) 诺氟沙星（NOR）溶液（10-20 ppm）在被海绵@MC-MPNs-2降解前后的紫外-可见光谱。

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