苏州纳米所李清文研究员、张永毅研究员CEJ：3D互穿碳纳米管水凝胶的高效光热水蒸发

太阳能界面水蒸发技术具有可持续、低功耗和环境友好等特性，通过该技术生产的淡水有望缓解工业和人口爆炸性增长带来的水资源短缺问题。近年来，研究人员发展的各类光热材料和光热结构，极大地提升了水由液态向气态转变。然而，光热蒸发系统仍面临着低效的热管理、耐盐性较差及高蒸发焓等问题，其应用仍具有较大的挑战。

近年来，中科院苏州纳米所李清文研究员、张永毅研究员在碳纳米管（CNT）的一维、二维、三维结构的基础研究和产业化应用方面均取得了较大进展。在光热水蒸发领域，利用CNT薄膜和CNT海绵构筑的梯度热效应实现了蒸发系统的高效热管理（Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1606220; ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 19109-19116）；通过设计双通道水传输结构，有效解决了蒸发系统的表面盐结晶问题（ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 13, 15549–15557）。

近期团队提出通过渗透交联的方式，将聚乙烯醇、聚乙烯亚胺和纳米碳黑附着在三维多孔的碳纳米管骨架上，构建了一种3D互穿的拓扑凝胶结构。通过结构分析发现，复合凝胶表面存在较薄的水层，同时内部分布着丰富的毛细水传输通道，实现了快速的毛细水传输。在室温环境中，构筑的CNT复合凝胶表现出快速脱水，通过低场核磁和拉曼光谱信号发现复合凝胶内部存在较多的活化界面水。复合凝胶内水的冷冻和汽化过程中热量分析表明，CNT凝胶内部的界面水比例高达57%，结合水比例降低到6.9%，表明其内部形成了弱的水合状态（包括水-水，水-聚合物相互作用），复合凝胶的等效蒸发焓降低到1078.7J g^-1。形成连续光热网络的CNT复合凝胶，在1sun的光强下蒸发速率为3.55kg m^-2 h^-1，光热转换效率达到92.0%。更重要的是，与目前的研究相比，这种水凝胶在弱太阳光和高湿度条件下表现出优异的蒸发性能，具有较大的实际水处理潜力。同时，该复合凝胶对染料、海水以及重金属污水均能实现高效纯化并达到饮用水标准。在自制的3D打印装置内，CNT复合凝胶在阴天或晴天的产水量达到6.3~8.6 kg m^-2。

相关工作以Boosting solar-powered interfacial water evaporation by architecting 3D interconnected polymetric network in CNT cellular structure为题，发表于Chemical Engineering Journal。论文第一作者是中科院苏州纳米所博士生赵黎明，通讯作者为张永毅研究员和李清文研究员。

图1. 3D互穿CNT凝胶的设计方案

图2. 水凝胶的形貌和孔结构分析

图3. 水凝胶水合状态分析

图4. 水凝胶的光热转换和光热水蒸发性能

图5. CNT水凝胶实际场景下的蒸发性能

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