某些地區(qū)的淡水資源貧乏，嚴(yán)重制約了社會及經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展。傳統(tǒng)的淡水收集技術(shù)往往需要額外的能源，成本較高。太陽能作為一種清潔、可再生的能源利用方式，對其進(jìn)行高效開發(fā)是一種可嘗試的途徑。

近年來，通過將太陽能轉(zhuǎn)化成熱能，進(jìn)而在遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水沸騰的溫度下產(chǎn)生蒸汽來進(jìn)行淡水收集的方式已成為研究熱點(diǎn)。其中，該技術(shù)的核心在于光熱轉(zhuǎn)換材料的蒸發(fā)器的開發(fā)。然而，當(dāng)前已發(fā)展的光熱材料，其原材料存在來源窄、制備復(fù)雜、成本高、穩(wěn)定性低、環(huán)境適應(yīng)性差等問題，限制了光熱技術(shù)在淡水收集方面的進(jìn)一步發(fā)展。

針對上述問題，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所陳濤研究員課題組前期研發(fā)了一系列用于光熱淡水收集的高分子復(fù)合材料(Nano Energy 2019 , 60 , 841 ; ACS Appl.Mater.Inter. 2019,11,15498 ; Solar RRL 2019,3,1900004 ; Energy Techno. 2019 , 1900787)。

這些工作不但提出了一系列制備簡單、高轉(zhuǎn)化效率、低成本、高穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的光熱材料，而且結(jié)合高分子材料固有的柔性、可裁剪、可縫制等特性，并通過簡單的方式將二維光熱材料轉(zhuǎn)變成三維材料，從而提高了淡水收集能力。

圖1：a)PPSD的制備示意圖；b-e)PPSD實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)、分離及大氣水收集機(jī)理示意圖

圖2：a)PPSDs聚集體內(nèi)自形成孔孔徑大小及分布；b)PPSDs聚集體優(yōu)異的吸水性；c-f)聚吡咯與聚多巴胺分子間作用力及優(yōu)化結(jié)構(gòu)

最近，研究人員在前期工作的基礎(chǔ)上，受到夏日海邊沙灘溫度高這一現(xiàn)象的啟發(fā)，通過光熱高分子材料對天然砂子的仿生改性，賦予其優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換能力，并結(jié)合砂子聚集時會自發(fā)形成的可持續(xù)供水的毛細(xì)孔的特性，發(fā)展了一種基于仿生改性砂子聚集體的多功能光熱淡水收集器（Nano Energy,2020,68,104311），并實(shí)現(xiàn)了在多種應(yīng)用環(huán)境中的淡水收集（圖1）。

天然海砂主要由二氧化硅組成，儲量豐富，由于不能成為建筑設(shè)施中的結(jié)構(gòu)材料，因此價格低廉。在本研究中，錨定在天然砂子表面的聚多巴胺（PDA）既可以充當(dāng)紅外線吸收劑，又可以充當(dāng)有效的粘合劑，通過π相互作用和氫鍵橋接沙子和聚吡咯（PPy），從而形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并具有高光熱轉(zhuǎn)化能力的黑砂（polypyrrole/polydopamine/sand，PPSD）。

此外，砂子的聚集行為使其自發(fā)形成微米尺度的自組織孔隙，這樣的多孔結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步產(chǎn)生毛細(xì)作用力，將水從沙層底部吸到頂部，這可以用作有效的供水通道（圖2）。

圖3：PPSDs用于光熱水蒸發(fā)性能表征及其機(jī)理模型討論

圖4：a-b)三維PPSDs海水淡化性能增強(qiáng)機(jī)理示意圖；c-g)三維PPSDs用于光熱海水淡化的性能表征及與目前所報道的基于天然材料光熱蒸發(fā)器的性能比較

得到的PPSDs可進(jìn)一步用于2D/3D太陽能驅(qū)動的界面水凈化，在1個太陽下，蒸發(fā)速率可達(dá)到1.21kgm^-2h^-1（圖3）。得益于沙子很強(qiáng)的塑形能力，二維平面的PPSDs可簡單快速地轉(zhuǎn)變?yōu)槿S立體的PPSDs，在1個太陽下蒸發(fā)速率可提升至1.43kgm^-2h^-1（圖4）。

圖5：PPSDs展示出較強(qiáng)的環(huán)境自適應(yīng)性，能適應(yīng)多種不同的應(yīng)用環(huán)境

除了PPSDs能用于傳統(tǒng)的光熱海水純化外，其也展示出較強(qiáng)的環(huán)境自適應(yīng)性，能適應(yīng)多種不同的應(yīng)用環(huán)境（圖5）。如當(dāng)海水遭受城市和工業(yè)區(qū)的油污染時，若直接將含油污水直接供給蒸發(fā)器，會導(dǎo)致蒸發(fā)器的污染和蒸發(fā)速度的降低。為了實(shí)現(xiàn)高效、可持續(xù)的凈水，PPSDs中聚集形成的微孔可預(yù)先有效地分離含油污水，并在隨后用于光熱蒸發(fā)。

結(jié)果顯示，經(jīng)過預(yù)分離后，PPSDs的蒸發(fā)速率得到了顯著提高，從0.87kgm^-2h^-1提升至1.19kgm^-2h^-1（圖5）。

另外，在一些內(nèi)陸的干旱地區(qū)或沙漠中，沒有直接可見的水源，絕大部分水汽分布在空氣中。由于FeCl3的摻雜，以及在內(nèi)部毛細(xì)作用力的協(xié)同作用下，PPSDs可以先吸收大氣中的水分，隨后在太陽光的驅(qū)動下，原位進(jìn)行光熱蒸發(fā)而獲得淡水。

在實(shí)際的戶外大氣淡水收集實(shí)驗(yàn)中，PPSDs的日均凈水收集能力約為1.13kgm^-2，遠(yuǎn)高于純砂子收集能力（約0.07kgm^-2）。因此，該多功能PPSDs聚集體的概念為實(shí)現(xiàn)在多變的應(yīng)用環(huán)境中對環(huán)境適應(yīng)的淡水收集提供了一條新的途徑。