设计一种具有定制多孔结构的有机光热分子负载水凝胶，以实现高效且耐盐的水蒸发，并同时产生电能

《Sustainable Materials and Technologies》：Engineering an organic photothermal molecule-loaded hydrogel with tailored porous structure for highly efficient and salt-resistant water evaporation with electricity cogeneration

　　

Jiashuai Xu|Xiaoyu Li|Fei Bao|Guowei Gao|Xiaowei Zhao|Hongguang Lu

中国天津市300384，天津工业大学化学与化工学院，有机太阳能电池与光化学转化天津重点实验室

摘要

太阳能驱动的界面水蒸发技术是实现高效废水回用和海水淡化的重要手段。然而，如何保持较高的蒸发速率并具备长期的抗盐性仍是巨大挑战。本研究设计了一种供体-受体-供体结构的分子CNDOH，该分子具有优异的光热转换能力，在0.4 W cm^-2的808纳米光照下10秒内即可达到330.9℃的温度。随后，通过将CNDOH与聚乙烯醇结合，制备出了负载有CNDOH的3D水凝胶蒸发器。通过增大水凝胶的孔径和增加孔数，可显著提升其蒸发能力和抗盐性。经过优化的水凝胶-C在单太阳光照射下，水蒸发效率可达92.6%，蒸发速率则为2.51 kg m^-2 h^-1。此外，该水凝胶在盐水环境中仍能保持良好的蒸发性能，且不会产生盐沉积，还能有效去除金属离子和有机染料。进一步地，研究人员还构建了水-电联产系统，在单太阳光照射下，该系统的蒸发速率可达2.10 kg m^-2 h^-1，同时还能产生150 mV的电能。这项研究为设计高效蒸发器提供了新思路，实现了太阳能驱动的水蒸发与净化，同时还具备了抗盐性，并能转化为电能。

引言

清洁水短缺是全球面临的紧迫问题[1]、[2]。联合国2024年世界水资源发展报告进一步强调了这一问题的严重性，报告显示全球约有一半的人口面临严重的季节性水资源短缺，四分之一的人口则处于极度的水资源压力之下[3]。为了解决淡水短缺问题，人们开发了多种水蒸发和海水淡化技术，包括反渗透技术[4]、多级闪蒸技术[5]、[6]以及多效蒸馏技术[7]、[8]。不过，这些传统技术存在能耗高、运行成本高以及碳排放量大等缺陷[9]、[10]。相比之下，太阳能驱动的界面水蒸发技术为高效废水处理和海水淡化提供了新的解决方案[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。该技术不仅能耗低、成本低，还能通过优化局部热管理来减少能量损失，因此有望为偏远地区的淡水短缺问题提供有效解决途径[16]、[17]。

作为太阳能驱动界面水蒸发技术中的关键组成部分，光热材料因其优异的光吸收性能和高光热转换能力而备受关注。近年来，研究人员已经开发出了多种光热材料，包括碳基材料[18]、[19]、金属有机框架材料[20]、[21]、[22]、半导体材料[23]、[24]以及有机光热材料[25]、[26]。其中，有机小分子光热材料因其结构灵活、重量轻等优点，受到了更多研究者的重视。这类材料的应用不仅限于光疗和成像领域，其在太阳能驱动界面水蒸发技术中也展现出巨大的应用潜力[27]、[28]、[29]、[30]。陈等人合成了一种双自由基有机小分子CR-TPE-T，将其引入聚氨酯泡沫基质后，制得了复合型蒸发器。在该蒸发器中，单太阳光照射下的水蒸发速率为1.272 kg m^-2 h^-1，能量利用效率为87.2%[31]。李等人则将供体-受体型有机化合物NC4固定在丝瓜络骨架上，制成了另一种蒸发器，该蒸发器在单太阳光照射下的水蒸发速率可达1.53 kg m^-2 h^-1，同时还能够利用废热进行热电发电[32]。赵等人则设计了一种由聚吡咯和水凝胶构成的双功能蒸发器，该蒸发器不仅具有2.26 kg m^-2 h^-1的蒸发速率，还具有抗盐海水淡化功能[33]。不过，目前关于有机小分子光热材料的研究仍然相对较少，尤其是在太阳能驱动界面水蒸发技术中的应用方面。如何开发出高性能的蒸发器，以实现废水处理、抗盐性以及电能生成等功能，仍是当前面临的重要挑战。

随着太阳能驱动界面水蒸发技术的不断进步，蒸发器的结构优化也成为了重要的研究方向。高性能蒸发器的设计需要满足三个核心要求：首先是要具备宽范围的太阳光谱吸收能力以及优异的光热转换性能；其次是要能够实现快速且持续的水供应；最后则是要拥有良好的机械性能和抗盐性[34]、[35]。目前已有多种类型的蒸发器被提出，比如纤维素纳米纤维膜蒸发器[36]、氧化石墨烯涂层圆柱形蒸发器[37]以及三维杯状蒸发器[38]、[39]。不过，二维蒸发器的蒸发速率存在上限，其理论最大值约为1.47 kg m^-2 h^-1[40]。此外，盐水环境中的内部盐晶析会进一步降低蒸发器的性能。至今，如何在蒸发器中同时实现高蒸发速率和长期抗盐性，仍然是亟待解决的难题[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]。

本研究设计并合成了一种具有D-A-D结构的有机小分子CNDOH。在CNDOH中，供体组份DOH含有羟基，可用于与聚乙烯醇发生交联反应，从而形成水凝胶的三维网络结构。而受体组份CN则含有八个氰基，具备较强的伸缩振动能力和吸电子特性。正是由于这些功能性基团的存在，CNDOH能够吸收300到1800纳米范围内的宽谱太阳光，并表现出优异的光热转换能力，在0.4 W cm^-2的808纳米光照下10秒内即可达到330.9℃的温度，且在该光照强度下仍能保持稳定温度。基于CNDOH的优异光热转换性能，我们通过将其与聚乙烯醇进行化学交联，制得了具有垂直排列通道的负载型水凝胶。通过增大水凝胶的孔径和增加孔数，进一步提升了其蒸发能力和抗盐性，最终得到了优化后的水凝胶-C。该水凝胶-C在单太阳光照射下的水蒸发效率可达92.6%，蒸发速率则为2.51 kg m^-2 h^-1，同时在高盐度盐水中也表现出良好的抗盐性。在户外海水淡化实验中，Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺和K⁺的含量均降低了99.9%以上，多种有机污染物也被有效去除。为了充分利用太阳能驱动界面水蒸发过程中的废热，研究人员还将该蒸发器与热电模块相结合，构建了水-电联产系统。在单太阳光照射下，该系统能够以2.10 kg m^-2 h^-1的速率产生淡水，同时还能输出150 mV的电能。经过15天的户外测试，该蒸发器始终保持着稳定的性能，能够持续产出淡水，且表面没有出现盐分积累现象。由此可见，负载有CNDOH的水凝胶蒸发器在海水淡化、污染物去除以及电能生成方面都具有多功能性。这项研究为利用太阳能同时获取淡水和电能提供了可行的方案，有助于推动更为可持续的资源利用模式的发展（见图1）。

章节摘录

1,3,5,7-四(二氰亚甲基)-1,2,3,5,6,7-六氢吲哚并苯二吡啶inium盐（CN-Py）的合成

将邻苯二甲酸酐（1.00克，4.58毫米摩尔）、乙酰乙酸乙酯（1.75毫升，13.75毫米摩尔）以及乙基三胺（5.6毫升，55.05毫米摩尔）放入15毫升的乙酸酐中，于100℃下加热2小时。反应完成后，将混合物冷却并倒入100毫升的冰水中，同时持续搅拌。随后将混合液置于冰浴中进一步冷却，再慢慢滴加浓硫酸（10毫升）。此时会有橙色沉淀生成，将其过滤出来，用乙醇洗涤后干燥，即得到目标产物1。

CNDOH的分子设计、光物理特性及光热性能

具有供体-受体-供体结构的有机小分子因具备灵活的分子设计以及优异的光热转换能力，而被视为光热材料领域的热门研究对象。在CNDOH中，供体组份2,2′-(苯偶氮二基)双(乙烷-1-醇)含有羟基，可用于与聚乙烯醇发生交联反应，从而构建出三维水凝胶结构。而受体组份2,2′,2″,2″‘-(吲哚并苯-1,3,5,7(2H,6H)-四丙二腈)

结论

综上所述，我们设计并合成了一种具有D-A-D结构的有机化合物CNDOH，该化合物具备宽范围的光谱吸收能力以及优异的光热转换性能。随后，我们通过将CNDOH与聚乙烯醇结合，制得了具有垂直排列通道的负载型3D水凝胶蒸发器。通过增大水凝胶的孔径和增加孔数，进一步提升了其蒸发能力和抗盐性。经过优化的水凝胶-C在单太阳光照射下，水蒸发效率可达92.6%

CRediT作者贡献说明

Jiashuai Xu：负责原始稿件撰写、方法设计、实验研究、数据分析、概念构思工作。Xiaoyu Li：负责方法设计及实验研究工作。Fei Bao：负责结果验证工作。Guowei Gao：负责结果验证工作。Xiaowei Zhao：负责研究指导及概念构思工作。Hongguang Lu：负责稿件审阅与编辑工作，以及研究指导工作。

利益冲突声明

所有作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

我们衷心感谢中国国家自然科学基金（项目编号：22375149、51503149）以及天津市高校创新团队培育计划（项目编号：TD13-5020）对本次研究的资金支持。