研究背景
针对当前界面太阳能蒸发器因缺乏动态调节能力而难以适应复杂环境变化、易受盐结晶堵塞及功能单一等问题，本研究提出并构建了一种基于温度响应性聚合物聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）的热适应性界面太阳能蒸发器。通过引入丙烯酸（AA）共聚形成聚（NIPAM-AA）双网络体系，有效解决了纯PNIPAM机械性能差、结构不稳定的缺陷，同时增强了吸水能力和功能可扩展性。进一步采用N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）和琼脂（AG）构建动态多网络结构，精准调控聚合物链的运动自由度，在保留温度敏感性的前提下确保结构稳定与机械韧性。为优化光热转换性能，引入原位生长的ZIF-67@CNTs复合材料作为光热层，利用ZIF-67的多孔结构与Co2+配位效应协同改善润湿响应、离子传输及耐盐性能。该蒸发器利用PNIPAM的低临界溶解温度特性，实现低温（ LCST）时分子内氢键主导的疏水释水状态之间的可逆转变，从而动态调节润湿性与离子浓度，抑制盐结晶。同时，热马兰戈尼效应与溶质马兰戈尼效应协同作用，利用温度梯度和浓度差促进离子回流与水分反向传输，显著增强抗盐稳定性。该研究为构建具有环境自适应能力的高效、稳定、多功能太阳能蒸发器提供了新的设计思路。
基于该设计，这种热自适应蒸发器在动态环境中实现了性能的自我优化。在一个太阳辐射下，蒸发速率稳定在3.88 kg m−2 h−1，输出功率为103.3 mW/m2。在复杂水处理过程中，亚甲蓝染料和乳化废水的去除效率超过99.9%，显示出优异的实用性。本研究通过双单体体系和双交联网络的创新设计，解决了纯PNIPAM水凝胶在界面蒸发应用中的核心缺陷。研究揭示了结构调控、润湿优化、热响应特性与水-电解质共产之间的内在关系，为高性能界面太阳能蒸发器的发展提供了新思路。
相关研究以“Thermo-Adaptive Interfacial Solar Evaporators Enhancedby Tunable Structure and Wettability for High-Efficiency Water and Electricity Cogeneration”为题，发表在国际知名期刊《Advanced Functional Materials》。（中科院一区TOP,JCR一区,IF=19）
相关数据
图1.（一）温度变化引起的氢键变化。（a）当温度降低时，分子间的氢键增强，中间水的含量上升。（b）当温度升高时，分子内氢键的含量大于分子间氢键的含量。 （二）温度的变化会导致润湿性发生变化，进而引起通道内离子浓度的变化。（a，b）低温区和高温区。随着温度升高，润湿性降低，通道内的离子浓度也降低。 （三）两种马兰戈尼效应的共同作用增强了蒸发器的抗盐性。 （a，b）热马兰戈尼效应和溶质马兰戈尼效应。热马兰戈尼效应提高了通过温度作用的盐的回流速率。差异。溶质的马兰戈尼效应通过在蒸发过程中形成浓度差，从而提高了水的回流速度。
图2.（a - d）NA-3、NA-4.5、NA-6 和 NA-7.5 的扫描电子显微镜图像。（e）NAZ 的扫描电子显微镜图像。（f1 - f4）NAZ 的能谱图像。（g、h）ZIF-67@CNTs 的扫描电子显微镜图像。（i）ZIF-67 的扫描电子显微镜图像。（j）不同单体比例下水凝胶的傅里叶变换红外光谱图像。（k）ZIF-67@CNTs、ZIF-67 和 CNTs 的 X 射线衍射图像。
图3.(a) PNIPAM、PAA、NAZ 和 NA-6 的 DSC 测试。(b,c) 在低温和高温条件下进行的吸水测试。(d) 在低温和高温条件下的红外测试。(e) PNIPAM 和 PAA 在冷、热条件下的接触角测试。(f) 温度变化下构象转变的机制。图中显示的误差线表示三次测试的标准偏差。
图4.（a）NAZ-ZC 的水合网络结构。 （b - d）对 NA-3、NA-4.5、NA-6 和 NA-7 的强度测试、TGA 和 DSC 测试。 （e）NA-3、NA-4.5、NA-6 和 NA-7.5 的 IW/FW 值。 （f，g）对 NA-6 和 NAZ 的拉曼光谱测试。
图5.（a）蒸发示意图。 （b）不同单体比例的水凝胶的蒸发速率和质量变化。（c）循环测试。 （d、e）水凝胶内部成分与水在低温和高温下的相互作用图。 （f）蒸发器的蒸发速率与 IW/FW 有关。 （g、h）在不同水面暴露高度和太阳辐射强度下蒸发速率的变化。 （i）NAZ-ZC 与其他现有蒸发器的比较。 本章中上述所有的蒸发测试均在 3.5% 重量百分比的 NaCl 溶液条件下进行。 图中所示的误差条代表三次测试的标准偏差。
图6.（a）太阳能转换示意图。 （b）水凝胶蒸发器上部与下部之间的温差。（c）盐晶体在 NAZ-ZC 表面发生回流。（d）盐耐受机制示意图。（e、f）NA 通过盐的运输示意图。（g、h）NAZ 通过盐的运输示意图。（i）不同高度的蒸发速率。（k）盐耐受和蒸发稳定性测试。（k）循环测试。（l）接触角测量。本章中上述所有盐耐受测试均在 15wt.% 的 NaCl 溶液条件下进行。图中所示的误差条代表了三次测试的标准偏差。
图7.（a）户外蒸发装置。（b）户外蒸发测试。 （c，d）水的电阻值和离子浓度测试。（e）水分子和离子在通道中的移动情况。（f）蒸发发电装置的原理图。 （g，h）开路电压和电流曲线。（i）高性能水凝胶蒸发器的对比分析。
研究结论
本研究探讨了热响应性PNIPAM在太阳能蒸发中的应用。制备的NAZ-ZC水凝胶蒸发器具有热响应结构和可调节性能。在1个太阳光照射下，可实现稳定蒸发速率为3.88 kg m−2 h−1。它可以在15 wt.% 高浓度盐水中连续产生纯水达48小时而不产生盐分积累。亚甲蓝染料和乳化废水的去除率超过99.9%。此外，该蒸发器可以实现水与电的联合生产。在1小时的太阳照射下，最大输出电压为104.39 mV，电流为98.98 µA，最大输出功率为103.3 mW/m2。本研究揭示了PNIPAM的作用机制，并为淡水短缺和废水处理提供了解决方案。所提出的太阳能水与电联合生产方法有望促进技术创新和工业发展。
DOI:10.1002/adfm.202529792
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