东华大学陈志钢教授团队《Chem. Eng. J.》：聚电解质光热水凝胶用于防析盐型太阳能海水淡化

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太阳能海水淡化技术的关键是开发高性能的光热蒸发材料。然而，长时间蒸发后，光热材料的蒸发面往往会有大量海盐析出，形成的盐层会反射阳光和阻挡蒸汽逸出，导致蒸发速率降低。为解决这一问题，目前已经开发了多种策略，包括物理去除、加速溶解、装置设计、静电排斥等。其中，在光热材料中引入聚电解质组分，利用其带电基团产生静电排斥作用分离海水中的阴阳离子从而避免析盐，受到人们的广泛关注。然而，当前这种光热材料通常采用二元设计，即光热组分和聚电解质组分相互独立，这带来材料结构复杂、成分不均匀和吸水能力弱等问题。

聚(3,4-亚乙基二氧噻吩：对苯乙烯磺酸钠) (PEDOT:PSS)是一种带负电的聚电解质材料，同时还具有宽光谱光吸收性能，已经广泛应用于光电转换。近期东华大学陈志钢和张丽莎教授团队利用PEDOT:PSS兼作聚电解质和光热转换材料，再以聚乙烯醇(PVA)为骨架，制备了一种阴离子型聚电解质光热水凝胶(APH) (图1)。

图1 阴离子型聚电解质基光热水凝胶(APH)的太阳能海水蒸发示意图

APH具有多孔结构，在380-2500 nm范围内的太阳光吸收效率高达95.5%。被水润湿后，APH中的界面水蒸发焓仅有1624.14 kJ kg^-1，明显低于纯水的蒸发焓(2418.11 kJ kg^-1)，主要是由于PEDOT:PSS中的SO^3-和PVA骨架中大量OH^-能与水分子发生作用，导致中间水/自由水比率高达2.27:1。在模拟太阳光(1.0 kW m^-2)的照射下，APH的蒸发速率高达2.5 kg m^-2 h^-1 (图2)，海水蒸发效率为90.7%。重要的是，APH中的阴离子基团(例如SO^3-)能排斥海水中的阴离子(例如Cl^-)，有效避免了在蒸发界面析盐(图3)，便于长期高效地蒸发海水。

图2 模拟阳光(1.0 kW m^-2)下NaCl溶液(3.5 wt%)和不同水凝胶样品的平均表面温度(a)、蒸发质量(b)和蒸发率(c)；(d)不同交联剂含量的APH-3的蒸发质量变化

图3 在1.0 kW m⁻²光照下，APH-3在3.5 wt% NaCl溶液中蒸发48 h后的照片(a)和蒸发速率(b)

该工作以“Polyelectrolyte-based photothermal hydrogel with low evaporation enthalpy for solar-driven salt-tolerant desalination”为题发表在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》。

该工作第一作者为东华大学材料学院硕士研究生李聪聪，共同第一作者为博士生朱波和刘子潇，通讯作者为东华大学陈志钢教授和张丽莎教授。该项研究得到国家自然科学基金、上海市科学技术委员、上海市教育委员会等项目的资助。该团队在过去三年中，针对海水淡化中的海盐积累与析出等问题，发展了柔性可清洗的光热蒸发织物(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 35005; Desalination, 2019, 462, 29)，不析盐的光热织物基悬挂型蒸发系统(Adv. Funct. Mater.2019, 29, 1905485)、向光型蒸发系统(ACS Nano, 2021, 15, 13007)和垂直对称的可翻转蒸发系统(Desalination, 2021, 509, 115072)，为太阳能海水淡化技术的实际应用打下基础。

论文信息：

Congcong Li, Bo Zhu, Zixiao Liu, Jiangtong Zhao, Ruru Meng, Lisha Zhang* and Zhigang Chen*. Polyelectrolyte-based photothermal hydrogel with low evaporation enthalpy for solar-driven salt-tolerant desalination. Chem. Eng. J. 2022, 431, 134224.

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.134224  

课题组网站：

https://pilab.dhu.edu.cn/zgchen/main.psp 

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