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近年來，關(guān)于太陽能光熱海水淡化的研究多集中于器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而新型光熱材料方面的研究進(jìn)展則較為緩慢。我們認(rèn)為新型多功能低成本光熱材料的開發(fā)設(shè)計(jì)對(duì)于該技術(shù)的應(yīng)用同樣具有重要意義。在開發(fā)設(shè)計(jì)新型材料方面，我們的思路是該材料需具備以下幾點(diǎn)性能：

1.制備過程要簡(jiǎn)單溫和，盡量避免使用特殊設(shè)備，使其容易大規(guī)模制備；

2.材料成本一定要低；

3.材料要有較好的光吸收和光熱性能；

4.材料具備較好的穩(wěn)定性，可適用于多種環(huán)境；

5.材料最好具有較好的普適性，并且兼容各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為進(jìn)一步提高其性能提供良好的平臺(tái)；

6.材料最好具有一定的多功能性。目前所報(bào)道的材料很難同時(shí)滿足以上要求，這就需要考慮從新的角度去解決這個(gè)問題。

我們一直以來都在從事基于貽貝仿生表/界面涂層的設(shè)計(jì)開發(fā)，我們就在思考，能否從涂層的角度出發(fā)來解決上述問題。我們前期開發(fā)了TA-APTES涂層，該涂層具有良好的普適性，可對(duì)具有不同形貌的多種材料進(jìn)行表界面改性，同時(shí)該涂層制備過程極其簡(jiǎn)單，且成本很低。如果可以將該涂層轉(zhuǎn)變?yōu)楣鉄岵牧?，則可以很好的滿足上述要求。

因此，我們做了一系列嘗試，最終發(fā)現(xiàn)經(jīng)過簡(jiǎn)單的三價(jià)鐵離子處理，該涂層即可變?yōu)楹谏鉄岵牧?，同時(shí)，三價(jià)鐵離子處理還可以大幅提高該涂層的酸堿穩(wěn)定性和賦予材料持久的超親水性，可謂一舉三得。這一具有諸多優(yōu)點(diǎn)的新型涂層將為光熱材料的設(shè)計(jì)開發(fā)提供全新思路，并將極大的促進(jìn)該領(lǐng)域的發(fā)展。

1.太陽能蒸發(fā)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

飲用水短缺是全球最重要的挑戰(zhàn)之一。近來，基于空氣/水界面處的太陽能光熱海水淡化/水凈化技術(shù)引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。與傳統(tǒng)的太陽能蒸發(fā)技術(shù)通過加熱一整塊水來獲得蒸汽不同，這項(xiàng)新技術(shù)將熱量集中鎖定在氣/液界面，從而可以最大程度地減少熱損失，并快速的將水變?yōu)樗魵?，從而大幅提高蒸汽產(chǎn)生的效率。盡管尚未在大型工廠實(shí)施應(yīng)用，但預(yù)計(jì)基于光熱材料的太陽能海水淡化/水凈化技術(shù)將成為生產(chǎn)清潔水和減少廢水量的經(jīng)濟(jì)且可持續(xù)的技術(shù)。

2.光熱材料的研發(fā)進(jìn)展

到目前為止，已開發(fā)出各種光熱材料來產(chǎn)生蒸汽，例如等離子體粒子，半導(dǎo)體，碳質(zhì)材料。作者已經(jīng)開發(fā)了一種基于柔性卟啉有機(jī)骨架（POF）的界面工程方法來生產(chǎn)光熱材料，并且該策略可用于包括膜，織物，海綿和木材在內(nèi)的各種材料。

此外，作者還制備了低成本的單寧酸-鐵復(fù)合涂層，以制備用于太陽能蒸汽發(fā)電的光熱材料。盡管在過去兩年中取得了重大進(jìn)展，但挑戰(zhàn)仍然存在：在某些情況下，成本高（例如貴金屬），復(fù)雜的處理（例如高溫加熱，多步合成，或等離子處理）或用于制備光熱的專用設(shè)備阻礙了其工業(yè)應(yīng)用。此外，對(duì)于水源被有機(jī)化合物（例如油）污染的問題，常用的碳化策略通常會(huì)剝奪光熱基質(zhì)的超親水性，使其易于被水中油滴污染堵塞材料內(nèi)部的水輸送通道，進(jìn)而大幅降低產(chǎn)水速率。因此，仍然需要開發(fā)新材料以克服上述問題。

圖1.圖片概要

基于以上現(xiàn)狀，李越湘教授和王振興博士等在國際知名期刊Nano Energy上發(fā)表題為“Versatile coating with multifunctional performance for solar steam generation”的論文。王振興博士和韓明才為本文共同第一作者。

在這項(xiàng)工作中，作者開發(fā)了一種新型材料，單寧酸@氨基丙基三乙氧基硅烷@Fe3+（TA@APTES@Fe3+），在效率，成本，可擴(kuò)展性，穩(wěn)定性和適應(yīng)性方面均表現(xiàn)出令人鼓舞的性能。TA@APTES@Fe3+與以前報(bào)道的材料（例如，碳質(zhì)材料，等離子體金屬，聚吡咯和半導(dǎo)體）不同，并且具有幾個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：

（a）方法簡(jiǎn)單

該制造過程容易且溫和，可以在室溫下水溶液中實(shí)現(xiàn)，無需高溫、高壓、有毒的有機(jī)溶劑或復(fù)雜的設(shè)備。

（b）成本低廉

用于制備TA@APTES@Fe3+的試劑價(jià)格低廉，易于獲得。材料成本僅為1.6美元/平方米，低于其他報(bào)告的材料。

（c）普適性和穩(wěn)定性好

TA@APTES@Fe3+可以牢固地粘附在具有各種形狀和表面化學(xué)性質(zhì)的基材（棉，濾紙，木材，PU海綿，甚至是化學(xué)惰性和高度疏水的PVDF膜）的表/界面上，具有良好的酸堿穩(wěn)定性，并可承受水沖洗處理（3000r/min96h），循環(huán)凍融測(cè)試（?18°C?30°C，90次），這是其他已報(bào)道的涂層（例如炭黑）難以實(shí)現(xiàn)的。

（d）良好的抗原油黏附性

TA@APTES@Fe3+具有穩(wěn)定的超親水性和水下超疏油性，可賦予基材抗油和其他有機(jī)物污染的能力。

（e）強(qiáng)的光吸收

基于上述優(yōu)點(diǎn)，該涂層可以將多種不同基材轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝У墓鉄岵牧?，并用于太陽能海水淡化。以?jīng)過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的楊木為例，楊木其經(jīng)過TA@APTES@Fe3+處理后，水蒸發(fā)速率達(dá)到約1.8kgm-2h-1（一個(gè)太陽光照強(qiáng)度下）。這一技術(shù)有望與目前的3D打印技術(shù)相結(jié)合，通過3D打印技術(shù)制備具有優(yōu)化結(jié)構(gòu)的基材，之后利用該涂層轉(zhuǎn)換為光熱材料，將有望大幅提高太陽能海水淡化效率，極大的促進(jìn)這一領(lǐng)域的發(fā)展。