唐本忠院士团队深大AIE研究中心王东副教授：掺杂AIE全纤维气凝胶实现“日出而作，日落而息”界面水蒸发
近日，深圳大学AIE研究中心在ACS Applied Materials & Interfaces上发表了题为“Doping AIE Photothermal Molecule into All-Fiber Aerogel with Self-Pumping Water Function for Efficiency Solar Steam Generation”的研究论文（ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, DOI: 10.1021/acsami.0c06181）。报道了一种同时具有优异的光热性能和自抽水特性的全纤维气凝胶，系统考察了材料结构、分子性能和太阳光诱导界面水蒸发之间的构效关系，并首次将聚集诱导发光分子用于海水淡化等水处理领域。
图1. 多孔、轻质的全纤维气凝胶的表征及应用示意图
随着人类社会的发展，水资源日益短缺。从海水中低成本、可持续地纯化制备淡水是未来发展的必由之路，特别是沿海城市以及海岛城市对海水淡化的需求日益凸显。近年来，界面光蒸汽转化的概念被提出。界面光蒸汽转化是指太阳光被充分吸收并被转换成热能，而且能量仅持续传递给水与空气界面的水分子，使之不断转化为蒸汽。该方法无需将水溶液整体加热到沸点即可高效产生水蒸汽，有效地解决了光学和热学损耗问题，使其转化效率大幅提高（>90%）。对海水淡化、污水处理、杀菌等具有重要意义。在该工作中，研究团队利用空间结构松散聚集诱导发光（AIE）分子与纳米纤维掺杂，随后制备成具有大孔隙与轻质量的全纤维气凝胶。结果表明该气凝胶具有出色的光热效果和空间隔热能力。
图2. 具有自抽水气凝胶的制备与表征
这种全纤维气凝胶具有良好的疏水性能，能够很好地漂浮在水体表面，避免了整体加热导致热量流失的弊端。然而，仅依靠内相连孔径产生的毛细力仍不足以将底部的水抽到顶部加热层，为此，研究人员创新性地结合等离子体处理和静电喷涂工艺使得全纤维气凝胶的一面永久性地获得亲水性。通过亲水作用和毛细作用，全纤维气凝胶可以在100秒内自发地将表面全部润湿，实现单根纤维发热、加热纤维表面浸润的水，最大化地提高加热效率。
在模拟太阳光下，漂浮在含有3.5%氯化钠的模拟海水表面的全纤维气凝胶表现出了良好的光热性能，分别在1、2、3个模拟太阳光照下，可以在2分钟内升高到41、50和59℃。其蒸发速率可以分别达到1.43、2.79和3.57 kg m-2 h-1，与之对应的蒸发效率分别为86.5、90.5和78%。表现出了优异的太阳光诱导界面水蒸发性能，并且在长时间（8小时）太阳光照射下，其蒸发性能并无太大变化，展现了较高的使用寿命和抗析盐能力。
图3.全纤维气凝胶模拟太阳光诱导界面蒸汽产生性能表征
在自然光照射条件下，测试了全纤维气凝胶在一天内的水蒸发性能，结果表明，上午期间的蒸发速率一直处于上升阶段，在下午两点达到最高值：1.58 kg m-2 h-1，随后开始下降至日落，其一天的水蒸发速度可以达到10.9 kg m-2 d-1。此外，由于自抽水特性，于日落之后，全纤维气凝胶表面仍处于润湿状态，能够溶解白天水蒸发后析出的微量盐结晶，实现自清洁的能力。并不影响第二天的甚至长久持续的工作。此工作报道了第一例用于海水淡化领域的AIE分子，不仅拓宽了有机光热分子的应用领域，也为下一代高效、长效和可持续的水净化工程提供了有价值的参考。
图4.全纤维气凝胶在自然光条件下一天的水蒸发速率
该论文的第一作者是深圳大学AIE研究中心李昊轩博士，王东副教授为论文第一通讯作者，深圳大学材料学院AIE研究中心荣誉主任唐本忠院士为共同通讯作者。论文得到了深圳大学李杰博士、黄佳昌博士，温海飞同学的支持和帮助。该研究得到国家自然科学基金，广东省自然科学基金，深圳市自然科学基金及深圳大学自然科学基金等经费支持。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c06181
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