研究背景
清潔的水資源對人類社會的發展至關重要。對近30億生活在嚴重缺水地區的人，海水淡化和汙水淨化是解決水資源短缺的有效途徑。然而，傳統的基於熱能或過濾膜的海水淡化會消耗大量電力，且需要大型而複雜的集中式基礎設施。太陽能海水蒸發被視為可以緩解淡水稀缺的最有前景的環保型技術之一。然而，最關鍵的挑戰在於自然陽光擴散太強（≤1kW m-2），無法為高效的水蒸發系統提供動力。而一旦利用昂貴的太陽能集中器就會增加其整體的技術成本。研究者們通過引入高效光熱能轉換材料以及合理設計蒸發器納米結構來加速蒸發過程。最近，通過調節聚合物網絡與水分子之間的相互作用，水凝膠太陽能蒸發器可在一個陽光下達到高蒸發速率。由於水蒸發發生在水凝膠界面，因此合理設計蒸發材料表面對於太陽能蒸發尤為重要，但對於調整太陽能蒸發器的表面潤溼狀態以加快蒸汽產生速率這方面的研究甚少。
成果簡介
近日德克薩斯大學奧斯汀分校餘桂華教授課題組在Energy & Environmental Science上提出了調控水凝膠表面潤溼態加快太陽能致水蒸發的概念，開發了帶有疏水島狀的親水性水凝膠蒸發器（patchy-surface hydrogels，PSH，見圖1），實現了超快的太陽能驅動水蒸發。該工作被選為封面文章。
圖1. PSH太陽能水蒸發器的示意圖。
PSH是通過使用十八烷基三氯矽烷（octadecyltrichlorosilane，OTS）部分修飾親水的聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）水凝膠製備而得。圖2展示了PSH 的表面表徵。在光學顯微鏡下，由於OTS修飾的疏水區域厚度略厚，在薄膜幹涉下顯示為不同顏色的島嶼狀。通過調節修飾時間，可以製備出含約0、30、60、90%疏水面積的PSH（標記為PSH 0、PSH 30、PSH 60和PSH 90），並且接觸角測試證明其疏水性不斷增強。XPS結果也證明了OTS修飾程度隨時長不斷增加。
圖2. PSH表面的表徵。a-d）顯微鏡下觀測到的疏水島嶼面積隨表面修飾時間的增加。e-h）水表面接觸角的變化。i-k）XPS 表面更一步精確測試。
圖3 展示了PSH在一個太陽光下的水蒸發性能。PSH 30表現出最快的蒸發速率，高達4.0 kg m-2 h-1，同時能量效率達93%。該蒸發速率比純親水或純疏水的表面均要高，得益於親水與疏水區域的協同作用。在PSH表面，水主要集中於親水區域，形成一層厚度增加的水膜，使得最外層水分子與水凝膠表面之間的相互作用減弱，從而更易蒸發；同時，大量的水分子擴散至疏水區域蒸發（圖1）。PSH同時也具有很好的穩定性，可以長時間保持高效蒸發速率。
圖3. 太陽能驅動蒸發性能。
作者進一步利用分子動力學（MD）模擬對水在PSH的蒸發行為在分子尺度進行探討（圖4）。簡化模型中，PVA區域表現為親水，水分子在平衡時會均勻鋪開成一層水膜；OTS區域為疏水，水分子在平衡時會形成水珠狀顆粒。MD模擬證實了水分子在蒸發過程中會局域在親水區，同時向疏水區擴散。隨著OTS的覆蓋率從0％增加到90％，親水PVA區水膜的平均厚度增加，並且PVA區域中最外面的水分子的平均總相互作用能降低，從而更易於水分子蒸發。同時，PVA區域面積減小，PVA/OTS接觸線增長，更多的水分子擴散至疏水OTS區域。總水蒸發速率取決於PVA區域的面積，PVA區域水層厚度，以及PVA/OTS接觸線長度。在30%的OTS覆蓋率下，PVA區域面積較大，同時水層厚度的增加加速了水從PVA區域的蒸發，OTS區域也對蒸發起到可觀的貢獻，因此總的蒸發速率最快。
圖4. PSH水蒸發的分子動力學（MD）模擬。（a）MD模型以還原水凝膠的斑塊狀表面，其中水分子在蒸發開始之前位於水凝膠表面之下。水凝膠表面四個正方形橙色斑點為疏水性，其餘為親水性（深黃色）。（b）PVA模型及其初始和平衡潤溼狀態。（c）OTS模型及其初始和平衡潤溼狀態。（d）在蒸發狀態下，最初散布的水分子被限制在親水區（PVA）中。同時，相當多的水分子也擴散到疏水區（OTS）進行蒸發。（e）PVA區域中水膜的平均厚度和總平均相互作用能。（f）在相同的蒸發持續時間後，對於不同的OTS表面覆蓋率，親水性和疏水性區域分別貢獻的蒸發水分子數量。
綜上，該研究團隊通過調節水凝膠表面的潤溼狀態，製備了親水/疏水混合的表面，實現了超快水蒸發速率。該性能來源於親水區和疏水區的協同作用。合理設計表面潤溼性這一策略還可以應用於其他材料，用於與能量、水、環境相關的各項應用。
水凝膠在水資源領域的更多文章可見：
Nature Reviews Materials, 5, 388 (2020)
ACS Materials Letters, 2, 671 (2020)
Advanced Materials, 32, 1907061 (2020)
Science Advances, 5, eaaw5484 (2019)
Accounts of Chemical Research, 52, 3244 (2019)
Advanced Materials, 31, 1806446 (2019)
Nature Nanotechnology, 13, 489 (2018).
文獻連結：
Tailoring Surface Wetting States for Ultrafast Solar-Driven Water Evaporation
Youhong Guo, Xiao Zhao, Fei Zhao, Zihao Jiao, Xingyi Zhou, Guihua Yu
Energy Environ. Sci.,2020,13, 2087, DOI: 10.1039/D0EE00399A
作者簡介
餘桂華，美國德克薩斯大學奧斯汀分校材料科學與工程系，機械系終身教授，英國皇家化學學會會士（FRSC）和皇家物理學會會士（FInstP）。
餘桂華教授課題組的研究重點是新型功能化納米材料的合理設計和合成，尤其是對能源和環境凝膠材料的開創性研究，對其化學和物理性質的表徵和探索，以及推廣其在能源，環境和生命科學領域展現重要的技術應用。目前已在Science, Nature, Nature Reviews Materials, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Communications, Science Advances, PNAS, Chemical Reviews, Chemical Society Reviews, Accounts of Chemical Research, JACS, Angewandte Chemie, Advanced Materials, Energy & Environmental Sciences, Chem, Joule, Nano Letters, ACS Nano, Nano Today, Mater. Today等國際著名刊物上發表論文180餘篇，論文引用30,000餘次，H-index 87。
現任ACS Materials Letters副主編，是近二十個國際著名化學和材料類科學期刊的顧問編委，如Chemical Society Reviews(RSC),ACS Central Science, Chemistry of Materials(ACS),Chem, Cell Reports Physical Science(Cell Press),Nano Research(Springer),Scientific Reports(Nature Publishing),Energy Storage Materials(Elsevier),Science China-Chemistry, Science China-Materials(Science China Press),Energy & Environmental Materials(Wiley-VCH)等。