扬州大学吴德峰团队JMCA：各向异性壳聚糖水凝胶蒸发器的表面结构构筑

水凝胶作为太阳能蒸发器，通常需要从水凝胶内部的网络和多孔结构到外部的表面形貌进行巧妙的结构设计，以保证充足的供水和高效的光热转化。冰模板法是构建水凝胶内部各向异性多孔道结构的常用方法，但却难以兼顾蒸发表面的精确构筑。

扬州大学吴德峰教授团队基于壳聚糖水凝胶，提出了一种同时构筑蒸发表面结构和内部定向孔道的策略。生物质来源、可降解的壳聚糖作为水凝胶的基体材料，单宁酸修饰的碳纳米管同时作为光热单元和结构单元，通过设计一个非均质的冷冻表面，利用不同方向上温度梯度诱导冰晶成核生长，促进水平方向上优先形成辐射管道状的浅坑阵列，随即再诱导垂直方向上的冰晶继续生长（图1）。所得冷冻样品再浸泡于植酸溶液，融化的过程中壳聚糖分子与植酸分子发生物理交联，稳定性进一步提高。由此制备的壳聚糖水凝胶同时具备了可调控的蒸发表面以及定向多尺寸孔道结构。

图1.构筑壳聚糖水凝胶蒸发器的流程图

蒸发器中辐射阵列孔道的蒸发表面以及相连的定向多尺寸孔道通过多重散射效应提高了光吸收，也使得海水运输速度进一步提高，这为获得高效的蒸发性能奠定了基础，同时也赋予蒸发器极佳的排盐性能（图2）。水凝胶的蒸发表面存在直径约1 mm的浅坑阵列，水平方向上的辐射状管道(约25 μm)自发的盐交换有利于浓盐水的快速扩散，使得盐壳在水凝胶外积聚。而水凝胶内部的大通道(200-300 μm)让盐通过纵向盐交换扩散和对流重新溶解于水中，而小通道(30-50 μm)则保证了水的快速扩散和对流，以及自下而上的毛细管泵送（图3）。经过合理的多层次蒸发表面和定向孔道设计，该太阳能蒸发器具有良好的蒸发性能(蒸发速率3.86 kg m-2 h-1，转换效率96.7%，1 sun)，优异的排盐能力（10次循环）和使用耐久性（图2）。

图2.壳聚糖水凝胶太阳能蒸发器的蒸发性能评估

图3. 壳聚糖水凝胶的表面形貌以及定向多孔道结构

壳聚糖前驱液通过冷冻构筑可以自发成胶和塑形，且可通过浸入植酸溶液的方法省去冷冻干燥过程，这为水凝胶太阳能蒸发器的规模快速制造提供了一条新的途径。此外，植酸增强的热稳定性和材料本身的抗菌性能，也使所制备的水凝胶蒸发器具有在复杂的野外污水环境下工作的适配性。该工作提出了一种有趣的水凝胶蒸发器表面结构构筑的策略，解锁了壳聚糖水凝胶更多的应用场景和工作模式。论文发表于Journal of Materials Chemistry A，扬州大学化学化工学院的博士研究生王元堃为第一作者，吴德峰教授为通讯作者。

文献连接：

https://doi.org/10.1039/D3TA06253H

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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