淡水资源是人类生存的命脉。然而，根据世界气象组织发布的最新报告，全球有超过20亿人无法获得充足的淡水资源。传统的海水淡化方法，如蒸馏、反渗透和电渗析，为解决这一问题提供了可行的工业选择。然而，这些方法仍然存在处理复杂、能耗高等缺点。随着近年来全球对碳中和的倡导，以无处不在的免费太阳能为动力的太阳能脱盐受到了广泛关注。
近日，中国科学技术大学刘波教授团队在太阳能驱动海水淡化研究中取得重要进展。该研究团队开发了一种基于弹性聚合物共价有机框架（PP–PEG）的高效太阳能蒸汽蒸发器。PP–PEG泡沫展现出全光谱吸收和出色的光热转换性能，通过优化亲水性、PEG链长度和热管理，在1个太阳辐照下，实现了4.89 kg m−2h−1的蒸发速率。团队进一步巧妙地使用易制得的截锥型反射器充分利用免费太阳能，蒸发速率显著提高至18.88 kg m−2h−1，超过已知的太阳能蒸汽蒸发器的性能。这项创新设计具有制备简单、成本低、效率高、机械稳定性和耐久性等优点，为海水淡化和水净化应用提供了一个有前景的平台。相关成果以“Highly efficient solar steam evaporation via elastic polymer covalent organic frameworks monolith”为题发表于《自然·通讯》杂志（Nat. Commun. 2024, 15, 9484.）。
具体而言，PP–PEG材料含有柔性的聚乙二醇连接剂，对客体呈现出有趣的自适应性（图a）。卟啉环作为光热功能单元，柔性的聚乙二醇链防止了卟啉环的不利聚集和猝灭，使得PP–PEG具有全光谱吸光度和优异的光热转换性能。基于此，PP–PEG以三维泡沫形式作为蒸发器应用于太阳能驱动的海水淡化。弹性还有助于防止泡沫在蒸发过程中发生崩塌，以维持循环蒸发的性能。为了减少向水体的热量损失，蒸发器采用特殊的自包含模式，将太阳能蒸发器与水体隔离开（图b），在维持连续供水的同时，不仅减少了热传导损失，还充分利用了三维泡沫的侧表面，大幅增加了蒸发面积，促进冷蒸汽的产生，提高了蒸汽的蒸发性能。通过优化亲水性和PEG链长度，在1个太阳辐照下，实现了4.89 kg m−2h−1的蒸发速率。
为充分利用免费的太阳能资源，该项研究设计了一个铝制的截锥形型反射器，将光反射到三维泡沫的侧表面（图b）。当三维泡沫与反射器耦合时，显著提高了蒸发性能。在1个太阳辐照下，蒸发速率达到18.88 kg m−2h−1，相比没有反射器时的蒸发速率4.89 kg m−2h−1，增加了286.1%，是迄今为止文献报道的最高的太阳蒸发性能。这种充分利用自然资源的创新方法，将给太阳能驱动海水脱盐淡化领域的研究人员带来启发。
图. PP-PEG的制备及应用于太阳能蒸汽蒸发示意图
综上所述，该项研究开发了基于弹性聚合物共价有机框架（PP–PEG）材料的高效太阳能蒸汽蒸发系统。该系统制备简单、效率高、成本低、机械稳定性和耐用性良好，有望成为极具前景的海水淡化和水净化平台。
该项研究受到国家自然科学基金面上项目、中央高校基本科研专项资金和安徽省自然科学基金的资助。刘波教授为该论文的通讯作者，博士研究生胡阿威为该论文的第一作者。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53902-1