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近年來，關于太陽能光熱海水淡化的研究多集中于器件的結構設計，而新型光熱材料方面的研究進展則較為緩慢。我們認為新型多功能低成本光熱材料的開發設計對于該技術的應用同樣具有重要意義。在開發設計新型材料方面，我們的思路是該材料需具備以下幾點性能：

1.制(zhi)備過程(cheng)要簡單溫(wen)和，盡量(liang)避免使用特(te)殊(shu)設(she)備，使其容易大規模制(zhi)備；

2.材料成(cheng)本一定要低；

3.材料要有較好的光(guang)吸收和光(guang)熱(re)性能；

4.材(cai)料具備較好的穩定性，可適(shi)用(yong)于多種環(huan)境；

5.材料最好(hao)具有較好(hao)的普適性，并且(qie)兼容各種結構(gou)設計(ji)，為進(jin)一步提(ti)高其性能提(ti)供(gong)良好(hao)的平臺(tai)；

6.材料(liao)最好具有一定的(de)多(duo)功能(neng)性。目前所(suo)報(bao)道的(de)材料(liao)很難同時滿足以上(shang)要求，這就需要考慮從新的(de)角度去解決這個(ge)問(wen)題。

我們一直以(yi)(yi)(yi)來(lai)都(dou)在(zai)從事(shi)基(ji)于貽貝仿生表/界面涂(tu)層的設(she)計開(kai)發(fa)，我們就在(zai)思(si)考，能否從涂(tu)層的角度出發(fa)來(lai)解(jie)決上述問題。我們前(qian)期開(kai)發(fa)了(le)TA-APTES涂(tu)層，該(gai)(gai)涂(tu)層具(ju)有(you)良好的普適性，可對具(ju)有(you)不同(tong)(tong)形貌的多種材料(liao)(liao)進(jin)行表界面改(gai)性，同(tong)(tong)時該(gai)(gai)涂(tu)層制備(bei)過程極其簡單，且(qie)成本很低。如(ru)果可以(yi)(yi)(yi)將(jiang)該(gai)(gai)涂(tu)層轉變為(wei)光熱材料(liao)(liao)，則可以(yi)(yi)(yi)很好的滿(man)足上述要求。

因此(ci)，我們(men)做(zuo)了一系列(lie)嘗試(shi)，最(zui)終(zhong)發(fa)現經過簡單的(de)(de)三價(jia)鐵(tie)離子處(chu)理，該(gai)涂層(ceng)即(ji)可變為黑色光熱材料(liao)，同時，三價(jia)鐵(tie)離子處(chu)理還可以大幅提(ti)高該(gai)涂層(ceng)的(de)(de)酸堿(jian)穩定性和賦予材料(liao)持久的(de)(de)超(chao)親水性，可謂一舉三得(de)。這一具有諸多(duo)優點的(de)(de)新(xin)(xin)型涂層(ceng)將(jiang)為光熱材料(liao)的(de)(de)設(she)計(ji)開發(fa)提(ti)供全新(xin)(xin)思(si)路，并將(jiang)極(ji)大的(de)(de)促(cu)進該(gai)領域的(de)(de)發(fa)展。

1.太陽能蒸發技術的研究現狀

飲(yin)用水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)短(duan)缺(que)是全球最(zui)重要的(de)挑戰(zhan)之一。近來，基于空氣(qi)/水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)界(jie)面(mian)處的(de)太(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)光熱(re)海水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)淡(dan)化(hua)(hua)/水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)凈化(hua)(hua)技(ji)(ji)術引起了學術界(jie)和工(gong)(gong)業界(jie)的(de)關注。與(yu)傳統的(de)太(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)蒸(zheng)發技(ji)(ji)術通過(guo)加熱(re)一整塊水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)來獲(huo)得蒸(zheng)汽不同，這項新(xin)技(ji)(ji)術將(jiang)熱(re)量集中鎖定(ding)在氣(qi)/液界(jie)面(mian)，從而可以最(zui)大程度地(di)減(jian)少熱(re)損失，并快速的(de)將(jiang)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)變為(wei)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)蒸(zheng)氣(qi)，從而大幅(fu)提高蒸(zheng)汽產(chan)生的(de)效率。盡管尚(shang)未在大型工(gong)(gong)廠實施應(ying)用，但預(yu)計基于光熱(re)材料的(de)太(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)海水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)淡(dan)化(hua)(hua)/水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)凈化(hua)(hua)技(ji)(ji)術將(jiang)成為(wei)生產(chan)清(qing)潔水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)和減(jian)少廢水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)量的(de)經濟且(qie)可持續的(de)技(ji)(ji)術。

2.光熱材料的研發進展

到目前為止，已開發(fa)出各種(zhong)光熱(re)材(cai)料(liao)來(lai)產(chan)(chan)生(sheng)蒸汽(qi)，例(li)如等離子體粒子，半導體，碳質材(cai)料(liao)。作者已經開發(fa)了一種(zhong)基于(yu)柔(rou)性卟(bu)啉有機骨架（POF）的界(jie)面(mian)工程方法(fa)來(lai)生(sheng)產(chan)(chan)光熱(re)材(cai)料(liao)，并且該策略(lve)可用于(yu)包括膜，織物，海綿(mian)和(he)木材(cai)在內的各種(zhong)材(cai)料(liao)。

此外，作者還制(zhi)備(bei)了低成本的(de)(de)(de)單寧(ning)酸-鐵復(fu)合涂層(ceng)，以(yi)制(zhi)備(bei)用于(yu)太陽能蒸汽(qi)發電(dian)的(de)(de)(de)光熱(re)材料(liao)(liao)。盡(jin)管在過去(qu)兩年(nian)中取(qu)得了重大(da)進(jin)展，但挑戰仍然存在：在某些情(qing)況(kuang)下，成本高（例(li)如(ru)貴金屬），復(fu)雜的(de)(de)(de)處理（例(li)如(ru)高溫加熱(re)，多步(bu)合成，或(huo)等離子(zi)處理）或(huo)用于(yu)制(zhi)備(bei)光熱(re)的(de)(de)(de)專用設(she)備(bei)阻(zu)礙了其工業應用。此外，對于(yu)水(shui)源被有機(ji)化合物（例(li)如(ru)油）污(wu)染的(de)(de)(de)問題，常用的(de)(de)(de)碳化策(ce)略(lve)通常會剝(bo)奪(duo)光熱(re)基質的(de)(de)(de)超親(qin)水(shui)性，使(shi)其易于(yu)被水(shui)中油滴污(wu)染堵塞材料(liao)(liao)內(nei)部的(de)(de)(de)水(shui)輸送(song)通道(dao)，進(jin)而大(da)幅降低產(chan)水(shui)速率。因此，仍然需要開發新材料(liao)(liao)以(yi)克服上述問題。

圖1.圖片概要

基于以上現狀，李越湘教授和王振(zhen)興(xing)博士等在國際知名期刊Nano Energy上發表題(ti)為“Versatile coating with multifunctional performance for solar steam generation”的論文。王振(zhen)興(xing)博士和韓明才為本文共同第(di)一作者(zhe)。

在這項工作(zuo)中，作(zuo)者(zhe)開發了一種新型材料，單(dan)寧酸@氨(an)基(ji)丙基(ji)三乙氧基(ji)硅烷@Fe3+（TA@APTES@Fe3+），在效率，成(cheng)本，可(ke)擴展性，穩(wen)定性和適應(ying)性方面均表現出令人鼓舞(wu)的性能。TA@APTES@Fe3+與以前報道的材料（例如，碳質材料，等離(li)子體(ti)金(jin)屬，聚吡咯和半導體(ti)）不(bu)同，并且具有幾個(ge)明顯的優(you)點：

（a）方法簡單

該制造過(guo)程容易且溫和，可以(yi)在室溫下水溶(rong)液(ye)中實現，無需高溫、高壓、有(you)毒(du)的有(you)機溶(rong)劑或復雜(za)的設備。

（b）成本低廉

用于(yu)制備TA@APTES@Fe3+的試(shi)劑價(jia)格(ge)低(di)廉，易于(yu)獲(huo)得。材(cai)料(liao)成本僅為(wei)1.6美元/平方(fang)米，低(di)于(yu)其(qi)他報告的材(cai)料(liao)。

（c）普適性和穩定性好

TA@APTES@Fe3+可以牢固地粘附在具(ju)有各種形狀和表面化學(xue)性(xing)質的(de)基材(cai)（棉(mian)，濾紙，木材(cai)，PU海綿，甚至(zhi)是(shi)化學(xue)惰性(xing)和高(gao)度疏水的(de)PVDF膜）的(de)表/界面上，具(ju)有良(liang)好的(de)酸堿穩定(ding)性(xing)，并可承受水沖洗處理（3000r/min96h），循(xun)環凍融測(ce)試（?18°C?30°C，90次），這(zhe)是(shi)其他已報道的(de)涂層（例如炭黑(hei)）難以實現(xian)的(de)。

（d）良好的抗原油黏附性

TA@APTES@Fe3+具(ju)有(you)穩定的(de)超親水(shui)(shui)性和水(shui)(shui)下超疏(shu)油(you)性，可(ke)賦予基材(cai)抗油(you)和其他(ta)有(you)機物(wu)污染的(de)能力。

（e）強的光吸收

基于(yu)上(shang)述優點，該(gai)涂層可以(yi)將多(duo)種不同基材(cai)轉變為(wei)高效的光(guang)熱材(cai)料，并用于(yu)太(tai)陽能海(hai)水淡化(hua)。以(yi)經(jing)過(guo)結構設計的楊木為(wei)例(li)，楊木其經(jing)過(guo)TA@APTES@Fe3+處(chu)理后，水蒸發速率達(da)到約1.8kgm-2h-1（一(yi)個(ge)太(tai)陽光(guang)照(zhao)強(qiang)度(du)下）。這一(yi)技(ji)術(shu)有望與目前的3D打印技(ji)術(shu)相(xiang)結合(he)，通過(guo)3D打印技(ji)術(shu)制備具(ju)有優化(hua)結構的基材(cai)，之后利用該(gai)涂層轉換為(wei)光(guang)熱材(cai)料，將有望大(da)幅(fu)提高太(tai)陽能海(hai)水淡化(hua)效率，極大(da)的促進這一(yi)領域(yu)的發展。