余桂华团队 Adv. Mater.：海水净化和污水处理很难？太阳能驱动聚合物网络型水凝胶来解决

【背景介绍】

太阳光是一种最丰富的能源，是一种传统化石燃料的有效替代品。目前，太阳能已被转化为电能、热能和化学能，用于光电、光催化等领域。例如，以半导体材料为基础的光催化过程能够进行废水和废气处理。近年来，基于蒸汽产生太阳能净水技术因其无需额外的电力输入就能产生清洁水来缓解水资源短缺而备受关注。研究人员开发了等离子体纳米颗粒、碳材料等高太阳吸收率的光热材料，来改善太阳能驱动的蒸汽生成（SVG）。此外，减少太阳能的损失有利于高效SVG。其中，利用水凝胶材料可降低产生蒸汽的能量需求，因而水凝胶蒸发器可实现高效SVG。由于水和高分子间的相互作用，水分子被束缚在高分子的网状结构中，形成水合聚合物网络。其关键是利用亲水性聚合物生成结合水和中间水，中间水作为活化水，蒸发所需的能量要比自由水少。然而，水凝胶太阳能蒸发器的聚合物链中亲水基团作为水活化不可缺少的功能组分，会导致水凝胶中水含量过高、热量分散、整体效率降低。

【成果简介】

近日，美国德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授和赵飞博士（共同通讯作者）等人报道了一种水凝胶中聚合物网络的拓扑结构设计，可以同时实现水和热的管理。其中，聚乙烯醇（PVA）网络具有高交联密度，是一种限制凝胶饱和含水量的骨架，而聚苯乙烯磺酸盐 （PSS）网络可通过静电作用和氢键作用，被水分子主动水合。这种互穿聚合物网络形成的水凝胶（IPNG）可以将50%以上的所含水活化为中间水。IPNG太阳能蒸发器利用低成本的活性炭作为太阳能吸收剂，在一个太阳光的照射下，SVG速率可达到约3.86 kg m^-2 h^-1，能量效率可达约92%，并且可以有效去除废水中的盐类、非挥发性洗涤剂和重金属离子，具有长期耐用性。该工作表明水凝胶太阳能蒸发器中聚合物网络的拓扑工程是推进太阳能净水的一个很有前景的途径，为该技术的实际应用铺平了道路。该工作成果以题为“Topology‐Controlled Hydration of Polymer Network in Hydrogels for Solar‐Driven Wastewater Treatment”发表在著名期刊Adv. Mater.上。

【图文解读】

图一、基于具有可控水合的IPNG的太阳能净水原理图

图二、IPNG的表征
（a）微米级孔道的SEM图像以及IPNG中O、S元素的EDX图谱，显示出均匀分布的孔和均匀凝胶化的水凝胶；

（b）PVA、PSS和IPNG的FT-IR光谱，表明IPNG中存在PVA和PSS；

（c）PVA和IPNG的XPS光谱，表明IPNG中存在PSS；

（d）动态力学分析显示PVA和IPNG的储能模量（G'）和损耗模量（G''），表明随着PSS的引入，形成的交联聚合物网络具有更强的机械性能。

图三、基于IPNG的有效水活化
（a）具有拟合曲线的拉曼光谱，显示IPNG中的自由水和中间水；

（b）从IPNG1到5增加的束缚水含量表现出增强的水-聚合物相互作用；

（c-d）IPNG中的饱和含水量和IW/FW比以及IPNGs的蒸发能量消耗，显示出可调节的相变行为。

图四、在太阳照射下，太阳能蒸汽产生和海水淡化
（a）在太阳光照射下，IPNGs造成的随时间变化的水的质量损失；

（b）在一个太阳光照射下，IPNGs的太阳蒸发率和能量效率；

（c）脱盐前后，在实际海水样品中测得四个常见离子的浓度，表明IPNG能有效去除盐离子；

（d）在海水中一周内IPNG3的水蒸发速率和能量效率，证明蒸发器的长期稳定性和耐用性。

图五、废水净化
（a）厨房、洗衣房和浴室产生的废水在净化前后的对比。

（b）净化前后，废水样品的盐度以及在厨房、洗衣房和浴室产生的废水中IPNG的蒸发速率；

（c）厨房、洗衣房和浴室产生的废水在净化前后总有机物含量（TOC）的变化。

【小结】

综上所述，由于水活化和有效的热量管理，设计的IPNG实现了高效的太阳能水净化。研究证明，具有互穿网络的离子聚合物可以提供与水分子的静电相互作用，产生更多的活性水分子，降低高效SVG的整体能量需求。而高交联的亲水性聚合物PVA可限制水凝胶中的水含量，抑制能量损失，提高能量利用效率。在一个太阳光照射下，所制备IPNG的太阳能蒸汽产生率可高达约3.9 kg m^-2 h^-1、能量利用率约92%。此外，基于IPNG的太阳能蒸发器具有对海水和生活污水的长期稳定性和耐用性。该工作不仅为调节水凝胶中的水-聚合物相互作用和水状态提供了一种有效的方法，而且为通过设计聚合物网络在分子水平上管理水提供了新思路。同时，该概念对于防冻、表面冷却和环境水/湿度管理等各种应用都具有重要意义。

文献链接：Topology-Controlled Hydration of Polymer Network in Hydrogels for Solar-Driven Wastewater Treatment.（Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202007012）

通讯作者简介

余桂华，美国德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学与工程系，机械系终身教授，英国皇家化学学会会士（FRSC）和皇家物理学会会士（FInstP）。余桂华教授课题组的研究重点是新型功能化纳米材料的合理设计和合成，尤其是对能源和环境凝胶材料的开创性研究，对其化学和物理性质的表征和探索，以及推广其在能源，环境和生命科学领域展现重要的技术应用。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 等国际著名刊物上发表论文200余篇，论文引用33,000余次，H-index 94。

现任 ACS Materials Letters 副主编，是近二十个国际著名化学和材料类科学期刊的顾问编委，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。

课题组链接：https://yugroup.me.utexas.edu。

团队在该领域工作汇总

1. F. Zhao, Y. Guo, X. Zhou, W. Shi, G. Yu, Materials for Solar-Powered Water Evaporation, Nature Rev. Mater. 5, 388 (2020).

2. Y. Guo, X. Zhao, F. Zhao, Z. Jiao, X. Zhou, G. Yu, Tailoring Surface Wetting States for Ultrafast Solar-Driven Water Evaporation, Energy Environ. Sci. 13, 2087 (2020).

3. Y. Guo, H. Lu, F. Zhao, X. Zhou, W. Shi, G. Yu, Biomass-Derived Hybrid Hydrogel Evaporators for Cost-Effective Solar Water Purification, Adv. Mater. 32, 1907061 (2020).

4. X. Zhou, Y. Guo, F. Zhao, G. Yu, Hydrogels as an Emerging Material Platform for Solar Water Purification, Acc. Chem. Res. 52, 3244, (2019).

5. Y. Guo, X. Zhou, F. Zhao, J. Bae, B. Rosenberger, G. Yu, Synergistic Energy Nanoconfinement and Water Activation in Hydrogels for Efficient Solar Water Desalination, ACS Nano 13, 7913 (2019).

6. X. Zhou, F. Zhao, Y. Guo, J. Bae, B. Rosenberger, G. Yu, Architecting Highly Hydratable Polymer Networks to Tune Water State for Solar Water Purification, Science Adv. 5, eaaw5484 (2019).

7. Y. Guo, F. Zhao, X. Zhou, Z. Chen, G. Yu, Tailoring Nanoscale Surface Topography of Hydrogel for Efficient Solar Vapor Generation, Nano Lett. 19, 2530 (2019).

8. X. Zhou, F. Zhao, Y. Guo, Y. Zhang, G. Yu, A Hydrogel-based Antifouling Solar Evaporator for Highly Efficient Water Desalination, Energy Environ. Sci. 11,1985 (2018).

9. F. Zhao, X. Zhou, Y. Shi, X. Qian, M. Alexandre, X. Zhao, S. Mendez, R. Yang, L. Qu, G. Yu, Highly Efficient Solar Vapour Generation via Hierarchically Nanostructured Gels, Nature Nanotech. 13, 489 (2018).

本文由CQR编译。

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