香港大学徐立之团队AFM：网络高度可调的自组装纳米纤维水凝胶用于高盐度海水的太阳能淡化

基于水凝胶的太阳能蒸发器由于水合聚合物网络中的蒸发焓降低而成为水净化的节能设计。然而，水凝胶太阳能蒸发器在海水淡化中实现稳定的性能仍然具有挑战性，部分原因是受困于所需的蒸发动力学和耐盐性之间的权衡。

近日，香港大学徐立之教授团队利用具有可调自组装纳米纤维网络的复合水凝胶，实现了具有高蒸发性能和抗盐积累性能的太阳能蒸发器。纳米纤维水凝胶太阳能蒸发器(NHSE)具有高孔隙率(90%以上)的固有开放网络，可以实现连续的水通道，以实现有效的传质。理论模型通过耦合蒸发过程中的水传递、热传导和蒸发焓来研究微观结构与蒸发性能之间的复杂关系。通过对复合材料的机理理解和结构调整，获得了最优的NHSE，在20%的盐水中连续脱盐时，NHSE的蒸发速率稳定在2.85 kg m−2 h−1。NHSE的优越性能和基本设计原则可以促进海水淡化水凝胶蒸发器的进一步发展。该研究以题为“Self-Assembled Nanofibrous Hydrogels with Tunable Porous Network for Highly Efficient Solar Desalination in Strong Brine”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上，博士生李昊为论文第一作者。

所设计的纳米纤维水凝胶太阳能蒸发器基于芳纶纳米纤维，聚乙烯醇与聚吡咯，其中包括可调开放多孔网络，以实现高性能太阳能海水淡化。自组装网络提供连续的微通道，以实现高效的传质，从而防止盐积聚。它还具有丰富的亲水性基团，有利于水活化以降低蒸发焓，以及均匀负载的聚吡咯，用于有效的光热转化。通过定量分析各种结构和热力学参数之间的相互作用，结合合理的实验调整，确定最优的结构与组分设计（图1）。

图1，纳米纤维水凝胶太阳能蒸发器的设计

通过改变水凝胶中ANF和PVA的含量来调节孔隙度。高固含量（例如≈12 wt%）的样品显示出高度连接的纳米纤维网络，这归因于ANF的高长径比和纤维间的相互作用。另一方面，随着固含量的降低（例如≈3.9 wt%）， ANFs聚集成纤维束，然后在更高的长度尺度上组装成网络，开始形成分层的开放多孔结构。这种现象可能是由于纳米纤维之间广泛的氢键和低固含量下的能量最小原则引起的。同时，所制备的纳米纤维水凝胶具有高度可塑形性，提高了蒸发器的设计自由度 (图2)。

图2，纳米纤维水凝胶的结构表征

所得到的纳米纤维水凝胶在相对较窄的固含量范围(≈3.9%-10.9%)内，实现了十倍的孔径变化，允许方便地调整传质速率。水凝胶溶胀实验表明，NHSE具有良好的输水性能。通过数值模拟验证了孔隙大小对输水速度的影响。NHSE还表现出低导热性，这有利于减少太阳能脱盐过程中的热量损失（图3）。

图3，纳米纤维水凝胶的传水与传热测试

现有工作证明了为了实现有效的光热蒸发，通常需要在有效的水输送和热局部化之间进行权衡。然而由材料和微观结构引起的蒸发焓的变化也可能产生重大影响。因此，了解各种结构、热力学和动力学参数对NHSE蒸发性能的定量贡献至关重要。为了阐明物理过程之间的复杂联系，建立了一个基于太阳蒸发过程中能量平衡的计算模型，基于此进行结构的优化。所建立的模型成功预测了最优结构并与实验测试相符合。所设计的水凝胶蒸发器表现出优越的蒸发性能和耐盐性（图4）。

图4，纳米纤维水凝胶用于海水淡化

对利用NHSE进行海水淡化的水质进行了测试，表明其优异的淡化性能。所获得的淡化水满足WHO的饮用水标准，并具有良好的细胞相容性（图5）。

图5，水淡化测试

综上所述，本工作开发出了一种适用于高盐度海水的太阳能脱盐的复合纳米纤维水凝胶。混合纳米纤维网络具有的高效传质、低导热和低蒸发焓是太阳能脱盐高效稳定性能的关键。关于微观结构、热力学和动力学过程的机理见解及其对蒸发性能的贡献有助于其他水凝胶蒸发器的工程设计。

课题组主页：

https://www.xulizhi.hku.hk/

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202308492

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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