用高分子把纳米颗粒“锁扣”起来：我国新型光热蒸发材料实现高效太阳能海水淡化

IT之家 6 月 22 日消息，据中国科学院过程工程研究所消息，该所与深圳大学联合团队提出一种高分子“锁扣”机制，成功将纳米颗粒编织成三维光热蒸发材料，使太阳能海水蒸发速率大幅提升，并通过户外试验装置，实现了从海水淡化到农业灌溉的初步探索。据介绍，全球四分之一人口面临严重的水资源短缺，预计 2030 年淡水缺口将达 40%。太阳能驱动界面蒸发凭借绿色低碳、安全高效的优势，成为极具前景的淡水生产技术，该技术的核心是高性能光热材料。纳米粉体材料因比表面积大、能带结构可调，展现出优异的光热转换性能。但在三维宏观组装中遇到两大难题：一是结构化组装难题，颗粒易团聚，导致效能衰减，且三维结构强度低、成本高；二是长期稳定性难题，光催化效应会降解有机框架，加速材料老化，制约实际应用。因此，开发兼具高光热效率、高效水输运与结构稳健性的材料体系，是该技术突破的关键。联合团队从“锁扣”中获得灵感。他们先制备出多层空心结构的纳米球壳，以此为纽扣，再依据高分子与溶剂的相容性原理，让聚酯分子链像缝衣线一样，精准穿过球壳细孔，把颗粒牢牢缝在一起，形成一片“纳米森林”般的坚固三维网络。这就像用一根根高分子线把纳米球串起来，既防止了团聚，又搭出了高效的水输送通道。实验数据显示，这种结构通过多重散射和吸收，太阳光吸收率达 90.2%；同时，纳米限域空间会改变水分子间的氢键网络，使蒸发同样水量所需能量降低 45.7%。单根蒸发体在测试中实现了每小时每平方米 38.14 千克的蒸发速率，是团队此前研发二维薄膜的 8.5 倍。在连续 30 天的海水加速老化中，没有纳米颗粒脱落，且材料在光照下不产生活性自由基，解决了有机基底降解难题。自然光照下，该装置每日产淡水 20.16 升，可满足约 10 人的基本饮水，水质达到世卫组织饮用水标准。产出的淡水已成功灌溉 5 平方米农田一整年，菠菜、玉米、小白菜等作物均完成完整生长周期，验证了农业灌溉的可行性。全生命周期成本分析显示，装置运行两年后，产水成本将低于市售瓶装水。相关研究成果发表在国际学术期刊《先进材料》杂志。研究团队目前正继续优化冷凝效率和系统成本，推动这一技术在沿海缺水地区、海岛及偏远地区规模化落地。IT之家附论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.73756