为了实现优化的蒸发性能，太阳能吸收器应该以适当的配置与水通道材料耦合。以前，太阳能吸收器主要嵌入水凝胶中以形成集成的太阳能蒸发器。大量的水可以被底部蒸发器吸收，然后由中间部分输送，最后被顶部太阳能吸收器激活，不断产生热量。在这种情况下，必须控制太阳能热转换材料的尺寸和分散状态，以抑制其聚集并保持水道畅通。然而，蒸发器都面临以下潜在的缺点：一是由于无法吸收入射的太阳光而导致包裹式太阳能吸收器效率低下。另一个是由于嵌入的异质太阳能吸收器对水凝胶的水合能力和水传输的干扰。因此，开发先进的光吸收聚合物基蒸发系统以解决太阳能驱动的低能量水净化/收集中剩余的研究瓶颈仍然是一个巨大的挑战。
广东工业大学团队通过在聚乙烯醇(PVA)水凝胶上加载聚吡咯(PPy)纳米带构建了一种新型的Janus太阳能蒸发器。作为高效太阳能热转换材料的PPy 纳米带是通过FeOCl模板内的受限聚合合成的（图1a）。通过化学交联和反复冷冻干燥制备机械稳定的多孔PVA水凝胶。随后，作者将PPy纳米带直接加载到PVA水凝胶顶部设计Janus PPy纳米带@PVA水凝胶蒸发器（图1b)。PPy纳米带之间的相互作用（π-π 相互作用和物理纠缠）以及 PPy 纳米带和PVA水凝胶之间的氢键使Janus 蒸发器具有自支撑功能。具有共轭电子结构的黑色PPy纳米带可实现98.3%的高太阳能吸收率，并通过光热效应产生加热的水-空气界面，在1次阳光照射下，太阳能热效率为 82.5%（图1C）。具有固有亲水通道的多孔PVA水凝胶可确保自由水的快速垂直传输。然后将游离水水平吸引到亲水性PPy纳米带的表面以形成过渡水并被PPy太阳能吸收器激活。毛细管泵送和渗透溶胀作用促进高效的3D水运输到加热区（图1 d）。水转移和光收集的协同效应导致2.26 kg m–2 h–1的高蒸发率以及当PPy负载为3 mg cm–2时在1次阳光照射下的太阳能效率为 80.1%。此外，受锥形吸光结构的启发，作者制成锥形Janus PPynanobelt@PVA水凝胶蒸发器，并通过1次太阳辐照度的96.3%太阳能证明蒸发率提高了2.64 kg m–2 h–1。因此，由于PPy纳米带的单层顶部负载，每单位时间产生的蒸汽和输入的PPy之间的重量比高达88。Janus PPy nanobelt@PVA水凝胶蒸发器在海水和污水中具有抗盐脱盐和污染物净化性能。此外，配备了Janus PPy纳米带@PVA的便携式太阳能热水净化装置水凝胶蒸发器对远高于饮用水标准的真实海水进行脱盐，脱盐率超过99.9%，消除真实污水中95.8%的化学需氧量。
图 . 通过使用 Janus 聚吡咯 (PPy)纳米带@PVA水凝胶蒸发器，利用太阳能在海水和废水中产生强大的蒸汽。
图 . Janus PPy nanobelt@PVA水凝胶蒸发器的仿生设计从平面结构到锥形结构以及在模拟海水和模拟污水中相应的太阳能热蒸发性能。
相关论文以题为Janus Polypyrrole Nanobelt@Polyvinyl Alcohol Hydrogel Evaporator for Robust Solar-Thermal Seawater Desalination and Sewage Purification发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。通讯作者是广东工业大学陈颖教授、林鹏程副教授。
参考文献：
doi.org/10.1021/acsami.1c13584
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