近日，深圳大学化学与环境工程学院赵辰阳副研究员团队与美国德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授团队合作在期刊《Advanced Functional Materials》（影响因子16.8，中科院JCR1区，TOP期刊）上发表了题为《High-Yield and Low-Cost Solar Water Purification via Hydrogel-Based Membrane Distillation》的研究论文。深圳大学为第一通信单位。

基于太阳能驱动蒸汽生成（SVG）的水净化技术可利用环保、可再生的太阳能实现对多种水源（海水、生活废水等）的净化，有望同时解决淡水资源匮乏和能源危机两大问题，从而引起了科研工作者的极大兴趣。但是，由于高蒸发速率对低环境湿度的要求和高水收集速率对高环境湿度的要求之间的本质矛盾，目前报道的SVG基的水净化系统的水产率仍然无法满足实际应用的需求。此外，这些系统通常要求额外能量输入来冷凝产生的蒸汽并收集净水，因而能耗一般较高。近年来，一种结合了SVG和膜过程优点的光驱动膜蒸馏（Solar-MD）技术被开发了出来。然而，传统的solar-MD使用多孔疏水基（例如PEFE膜）的光热膜，导致了不可避免的局部蒸汽浓度降和温度极化，使得后续的蒸汽收集变的困难，因此水产率仍然不能令人满意。

近期研究工作发现，聚合物水凝胶材料能有效降低水蒸发的能量需求来大幅提升SVG性能。在聚合物水凝胶分子网络里，水分子与高分子链相互作用，形成了三种状态的水，分别是结合水、中间水、自由水。其中，中间水作为活化水，可有效降低蒸发的能量需求，是聚合物水凝胶基蒸发器优异性能的关键所在。基于此，该研究团队开发了一种聚合物水凝胶基的超薄光热膜（HUM）并将其成功应用于solar-MD系统，同时实现了有效的蒸汽转移和能量管理，有效提升了solar-MD的水产率和能量效率。

 a）自然界中的水文循环。b）传统的基于疏水膜的solar-MD和基于HUM的solar-MD。

如图所示，与传统的疏水膜基solar-MD不同，HUM允许液态水直接渗透到膜表面并阻止其从表面流出。因此，在HUM基的solar-MD系统中，蒸发界面被重新定位在了膜/载气界面（图1b，HUM-based solar-MD），从根本上消除了蒸汽传输的跨膜阻力和温度极化效应。这样，所获得的输出气流的湿度显著高于传统的solar-MD系统，从而在没有额外能量输入下实现蒸汽冷凝。此外，得益于水凝胶基HUM本身优异的SVG性能，其在高蒸发速率下的蒸发冷却效果使得蒸发表面的温度低于环境温度，从而提高了系统的能量效率。当以环境空气作为载气时，该系统可以在1个太阳光强（1 kW m^-2）下获得高达2.4 kg m^-2 h^-1的高淡水产量。因此，由于其高性能，低成本和可规模化制备等特点，HUM在下一代太阳能驱动的水净化中具有巨大的实践潜力。

原文链接：

https://onlinelibrary-wiley-com.ezproxy.lib.utexas.edu/doi/10.1002/adfm.202101036