隨著全球清潔水短缺問題日益嚴峻，海水淡化被視為可持續(xù)的解決方案之一。然而，在高緯度地區(qū)，強烈的紫外線輻射、極端溫度循環(huán)和高鹽腐蝕等環(huán)境因素對蒸發(fā)材料提出了嚴峻挑戰(zhàn)。現(xiàn)有材料難以同時滿足高效光熱轉換、環(huán)境耐受性和界面水傳輸?shù)男枨?，尤其是在低溫、高鹽或強腐蝕條件下性能顯著下降。氟聚合物雖具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，但其疏水性限制了與水分子的相互作用，而多金屬氧酸鹽（POMs）雖具親水性和光熱協(xié)同效應，卻缺乏在低溫環(huán)境下的實際應用研究。

近日，濟南大學顏梅教授、耿兵教授和中國石油集團渤海鉆探工程有限公司Cui Guanghui合作開發(fā)出一種新型氟聚合物蒸發(fā)器，通過高內相乳液模板法將磷鉬酸（PMA）嵌入多孔聚合物基體的分級微通道中。研究表明，PMA能破壞水分子間的氫鍵網絡，使中間水比例增加133%，并促進雙峰水簇的形成，從而將蒸發(fā)焓降低28%。結合碳納米管增強的光吸收能力，該蒸發(fā)器在25°C和–3°C下分別實現(xiàn)了2.38 kg m?2 h?1和1.84 kg m?2 h?1的蒸發(fā)速率，光熱效率高達93.3%，并在UV和鹽霧環(huán)境中保持30天穩(wěn)定性。該工作首次實現(xiàn)了在冰點環(huán)境下從低于零度的海水中持續(xù)蒸發(fā)淡水，為極端環(huán)境下的海水淡化提供了分子層面的解決方案。相關論文以“Phosphomolybdic Acid Induced Water Clusters Formation in Freezing Seawater: Enabling Ultra-Low Enthalpy and Efficient Solar Evaporation”為題，發(fā)表在

Advanced Functional Materials

研究團隊通過高內相乳液（HIPE）模板法成功制備了負載PMA、聚乙烯亞胺（PEI）和碳納米管（CNTs）的多孔氟聚合物蒸發(fā)器（PMAFM-PEI/CNTs）。圖1展示了該蒸發(fā)器的設計概念：以PMA水溶液為分散相，氟化單體為連續(xù)相，通過乳化、聚合、PEI親水改性和CNTs噴涂等步驟構建具有光吸收、水傳輸和熱隔離功能的復合蒸發(fā)系統(tǒng)。該設計不僅實現(xiàn)了PMA在疏水基體上的均勻分布，還有效保留了其光熱轉換特性。

圖1. 蒸發(fā)器的設計概念。

圖2通過SEM、TEM、XPS等技術對材料進行了系統(tǒng)表征。SEM圖像顯示蒸發(fā)器具有開放的孔結構（平均孔徑4.8 μm），PMA均勻嵌入孔壁；TEM和HRTEM確認了PMA的晶格結構（晶面間距3.09 ?）；XRD譜圖顯示PMA特征峰位，表明其成功與聚合物結合；分子動力學模擬進一步揭示了PMA與氟聚合物通過靜電作用和氫鍵形成穩(wěn)定復合物。XPS分析證實了Mo??/Mo??混合價態(tài)的形成，增強了材料的光熱轉換能力。

圖2. PMAFM-PEI/CNTs的表征。

圖3展示了材料的化學結構、機械性能和熱管理能力。XPS和FT-IR證實了PMA和PEI的成功引入；循環(huán)壓縮測試表明材料具有優(yōu)異的機械韌性；熱導率測試顯示PMAFM??％-PEI在干態(tài)和濕態(tài)下分別為0.043和0.215 W m?1 K?1，具備良好的隔熱性能。此外，材料在UV和鹽霧環(huán)境中表現(xiàn)出30天的穩(wěn)定性，遠優(yōu)于非氟化對照樣品。

圖3. PMAFM-PEI/CNTs的表征。

圖4評估了蒸發(fā)器的光吸收和蒸發(fā)性能。UV-vis-NIR光譜顯示PMAFM-PEI/CNTs在250–2500 nm范圍內光吸收率達96%；紅外熱成像表明其表面溫度在40秒內升至108°C；在1 sun光照下，其蒸發(fā)速率達2.38 kg m?2 h?1，等效蒸發(fā)焓降至1356 J g?1，光熱效率為93.3%。尤其在–3°C的冰鹽水中，仍能實現(xiàn)1.84 kg m?2 h?1的蒸發(fā)速率，顯著優(yōu)于純冰鹽水的0.05 kg m?2 h?1。

圖4. PMAFM-PEI/CNTs蒸發(fā)器的蒸發(fā)性能。

圖5通過對比以往研究，突出了PMAFM-PEI/CNTs在機械穩(wěn)定性和蒸發(fā)性能方面的優(yōu)勢。圖6進一步通過低場NMR、Raman和DSC分析了水分子狀態(tài)變化：PMA的引入顯著提高了中間水比例（IW/FW從0.27升至0.63），降低了蒸發(fā)焓（從2221 J g?1降至1390 J g?1）。LiCl蒸發(fā)實驗證實了水以簇狀形式蒸發(fā)，冷凝水中Li?濃度顯著升高。

圖5. PMAFM-PEI/CNTs與以往工作的對比。

圖6. PMAFM-PEI/CNTs中的水合相互作用分析。

圖7通過分子動力學模擬揭示了蒸發(fā)機制：PMA與氟聚合物的復合系統(tǒng)在400 ps內蒸發(fā)水分子數(shù)達353個，比純水系統(tǒng)（151個）提高133%。氫鍵數(shù)量和相互作用能分析表明，PMA破壞了自由水的氫鍵網絡，促進了中間水的形成和低焓蒸發(fā)。

圖7. 分子動力學模擬用于研究水蒸發(fā)過程中的界面結構演變和質量損失。

圖8展示了室外脫鹽和廢水凈化性能。蒸發(fā)器具備自清潔能力，能在60分鐘內溶解表面鹽分；在3°C室外環(huán)境中，蒸發(fā)速率達0.75 kg m?2 h?1；凈化后的水質符合WHO和EPA飲用水標準，電阻值從80 kΩ提升至1.102 MΩ；對有機染料和抗生素的去除效果顯著，展示了其在復雜水質處理中的潛力。

圖8. 設備的脫鹽性能與耐久性測試。

該研究通過分子工程策略成功設計了具有高效光熱轉換、低蒸發(fā)焓和優(yōu)異環(huán)境穩(wěn)定性的太陽能蒸發(fā)器，首次實現(xiàn)了在冰點環(huán)境下從海水中持續(xù)生產淡水。PMA誘導的水簇形成機制為低溫下水分子活化提供了新思路，氟聚合物的引入則解決了極端環(huán)境下的材料耐久性問題。這項工作不僅推動了界面太陽能蒸發(fā)技術的發(fā)展，也為極地、高緯度地區(qū)及應急供水場景下的可持續(xù)淡水生產提供了可行的技術路徑。

來源：高分子科學前沿

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