近日，海南大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院黃瑋和張明鑫等人在《Advanced Materials》上發(fā)表了題為“Mesoporous Nanogel Sprays as Universal Evaporation Interface Modifiers for Boosting Water-Cluster Evaporation”的研究論文，該研究開發(fā)了一種新型的介孔納米凝膠，作為通用的蒸發(fā)界面調(diào)節(jié)噴霧，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種蒸發(fā)界面的水蒸發(fā)過程的有效調(diào)節(jié)，界面水蒸發(fā)速率提升幅度最高可達(dá)297%。普通的廉價(jià)無(wú)紡布材料，經(jīng)過噴涂該納米噴劑后，在一個(gè)太陽(yáng)光輻照強(qiáng)度下，其界面蒸發(fā)速率可大幅提升至3.26 kg m?2 h?1。這種通用的、易操作的界面噴涂改性方法，對(duì)傳水基底的基本結(jié)構(gòu)、形狀等方面要求較低，具有極高的商業(yè)推廣潛力。
水蒸發(fā)作為一種自然現(xiàn)象，是自然界和工業(yè)生產(chǎn)中至關(guān)重要的過程，在光合作用、海水淡化、脫水技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。然而，如何提高蒸發(fā)效率一直是科研人員關(guān)注的焦點(diǎn)?；谒卣舭l(fā)機(jī)理，多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)水分子以團(tuán)簇形式逃逸出蒸發(fā)界面，從而降低蒸發(fā)界面上的能耗（低焓蒸發(fā)）；水團(tuán)簇在空氣中，再進(jìn)一步吸收環(huán)境能量破碎成單個(gè)氣態(tài)分子。這種低焓蒸發(fā)過程，為提高界面蒸發(fā)速率提供了新的途徑。近期的研究表面，疏水性孔或者微孔結(jié)構(gòu)能夠作為“水活化”的結(jié)構(gòu)單元，促進(jìn)水簇形成；但這些結(jié)構(gòu)特性對(duì)水分子的傳輸過程會(huì)造成較大阻礙，難以適用于快速的界面蒸發(fā)過程。如何平衡這種“水活化”和水傳輸行為成為設(shè)計(jì)高性能界面蒸發(fā)材料的關(guān)鍵難題。
傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中，大家普遍采用大塊凝膠網(wǎng)絡(luò)同時(shí)滿足“水活化”和水傳輸?shù)墓δ?，這種耦合設(shè)計(jì)策略給材料制備/合成帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。為此，作者創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易的界面噴涂策略，將具有高效率的“水活化”功能的納米凝膠噴劑，噴涂在具有快速水傳輸能力的基底材料上，大面積、批量化地制備了高效率的水蒸發(fā)材料。這種模塊化的功能組裝設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了“水活化”和水傳輸結(jié)構(gòu)和功能的解耦設(shè)計(jì)，大幅度地簡(jiǎn)化了水蒸發(fā)材料的設(shè)計(jì)思路。
圖1 將輸水通道與蒸發(fā)界面解耦升級(jí)蒸發(fā)界面的通用方法示意圖。
該研究中，作者利用分子自組裝技術(shù)構(gòu)建了一種具有介孔孔道（孔內(nèi)疏水）的親水性納米囊泡凝膠。這些納米凝膠通過噴涂的方式被均勻地涂覆在多種基材表面（如：PVA水凝膠、巴爾沙木、納濾膜、纖維素紙、尼龍布等），有效升級(jí)了基材的界面性能，使蒸發(fā)材料的制備變得簡(jiǎn)單且高效。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過納米凝膠噴霧處理的基材在低劑量40 mg cm?2下，其蒸發(fā)速率在0.5和1標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)輻照度下分別可達(dá)1.58 kg m?2·h?1和3.26 kg m?2·h?1，相比未處理的基材分別提高了297%和268%。這一顯著的提升歸功于納米凝膠獨(dú)特的親疏水納米通道結(jié)構(gòu)，能夠有效促進(jìn)水團(tuán)簇的形成和快速擴(kuò)散，從而降低蒸發(fā)焓。
圖2 NG的結(jié)構(gòu)圖。
研究人員通過傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、小角X射線散射（SAXS）和小角中子散射（SANS）等多種表征手段，詳細(xì)揭示了納米凝膠的結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果顯示，納米凝膠具有六邊形排列的疏水介孔通道，其內(nèi)徑約為6.2 nm，能夠?yàn)樗畧F(tuán)簇的形成提供理想的模板。
圖3納米噴霧對(duì)蒸發(fā)材料的界面改性圖。
圖4 NGs和普通凝膠內(nèi)水團(tuán)簇蒸發(fā)示意圖。
圖5納米噴霧促進(jìn)水分蒸發(fā)的機(jī)理圖。
該研究通過實(shí)驗(yàn)和分子動(dòng)力學(xué)模擬，揭示了納米凝膠噴霧中親-疏水納米通道在降低蒸發(fā)焓方面的關(guān)鍵作用。納米凝膠的疏水介孔結(jié)構(gòu)不僅加速了水團(tuán)簇的形成，還穩(wěn)定地將水團(tuán)簇排出，從而顯著提高了蒸發(fā)效率。此外，納米凝膠的超親水性確保了水分子在蒸發(fā)過程中的快速吸收和輸送，進(jìn)一步增強(qiáng)了蒸發(fā)速率。
圖6 NGs@Substrate的實(shí)用性圖。
碩士研究生朱海云為該研究的第一作者，海南大學(xué)黃瑋和張明鑫副研究員為通訊作者，華南理工大學(xué)楊俊升老師在理論計(jì)算方面提供了重要指導(dǎo)。相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（52403088，52162012）、海南省南海新星（NHXXRCXM202305）等項(xiàng)目的支持。此外作者特別致謝了中國(guó)散裂中子源（SANS）和上海光源(SAXS，BL16B和19U2)提供的小角散射測(cè)試服務(wù)，為該納米凝膠結(jié)構(gòu)表征提供了重要的技術(shù)支持。
全文鏈接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202419243
https://doi.org/10.1002/adma.202419243
(來(lái)源：海南大學(xué) 版權(quán)屬原作者 謹(jǐn)致謝意）
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