太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的界面蒸汽發(fā)電(SISG)已被公認(rèn)為以環(huán)保和低成本的方式解決水資源短缺的有前途的策略。在過(guò)去的幾十年里，科學(xué)家們一直致力于設(shè)計(jì)理想的蒸發(fā)器，包括用于高效光熱轉(zhuǎn)換的太陽(yáng)能吸收器，以及用于隔熱和輸水的浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，以增加蒸發(fā)率。與2D蒸發(fā)器相比，3D類(lèi)似物由于減少了光反射和從環(huán)境中獲得的能量而表現(xiàn)出出色的蒸發(fā)性能。然而，以往的研究大多在蒸發(fā)試驗(yàn)時(shí)將模擬太陽(yáng)的輻照設(shè)置為垂直于蒸發(fā)器表面，而對(duì)模擬傾斜輻照的研究相對(duì)較少。蒸發(fā)器的表面積和側(cè)面區(qū)域由于其傾斜照射功能可以吸收自然陽(yáng)光下的太陽(yáng)能，從而可以放大有效加熱面積和蒸發(fā)率。因此，側(cè)面積輔助蒸發(fā)可以提供一種可行且簡(jiǎn)單的方案來(lái)設(shè)計(jì)先進(jìn)的蒸發(fā)器以實(shí)現(xiàn)超高蒸發(fā)率。此外，在蒸發(fā)過(guò)程中，蒸發(fā)器周?chē)纬傻臏嘏h(huán)境會(huì)促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)，嚴(yán)重影響蒸發(fā)器的使用壽命，尤其是廢水處理。因此，利用功能性吸收劑同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效蒸發(fā)和抗生物污染是一項(xiàng)主要要求。在常規(guī)方法中，Ag、ZnO納米粒子和Mxene在蒸發(fā)器中額外摻入抑菌劑，使蒸發(fā)器具有抗生物絮凝作用，防止微生物增殖造成通道堵塞。然而，這些策略在制備過(guò)程中需要繁瑣的勞動(dòng)，并且由于相容性不足而影響蒸發(fā)輸出。顯然，探索具有光熱轉(zhuǎn)換和抗生物污損能力的單一材料將是一項(xiàng)有吸引力但極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。聚集誘導(dǎo)發(fā)射（AIE）活性分子作為一種新出現(xiàn)的光敏劑，可以通過(guò)合理的設(shè)計(jì)同時(shí)提供高性能的光熱轉(zhuǎn)換和活性氧（ROS）生產(chǎn)，可能是構(gòu)建具有高效蒸發(fā)和抗生物污垢功能的3D蒸發(fā)器的理想候選者。

鑒于此，深圳大學(xué)Li Ying、王東、唐本忠院士等報(bào)道了一種包含AIE發(fā)光原(AIEgens)的全纖維多孔圓柱狀泡沫(AFPCF)，該泡沫具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換和ROS生成能力，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效的太陽(yáng)能蒸汽生成和抗生物污垢效應(yīng)。這項(xiàng)工作首次將側(cè)面輔助蒸發(fā)和抗生物污垢活性集成到蒸發(fā)器中。所呈現(xiàn)的蒸發(fā)器具有互連的多孔結(jié)構(gòu)，具有出色的親水性，可用于蒸汽逸出和供水，側(cè)面輔助蒸發(fā)系統(tǒng)可增加有效蒸發(fā)面積，以及有效光動(dòng)力殺死纖維附近的細(xì)菌以防止生物污染。相關(guān)工作以“Side Area-Assisted 3D Evaporator with Antibiofouling Function for Ultra-Efficient Solar Steam Generation”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Advanced Materials》上。

含AIE發(fā)光原的太陽(yáng)能蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)與表征

研究人員經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)并通過(guò)三個(gè)步驟輕松合成典型的D-A-D分子（TPA-BTDH），其具有豐富的分子旋轉(zhuǎn)器、大扭曲角和非平面結(jié)構(gòu)，可能使其分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)受到部分限制，但在纖維狀態(tài)下仍然活躍，潛在地允許高光熱轉(zhuǎn)換和ROS生成受益于平衡的能量耗散。TPA-BTDH的最大吸收波長(zhǎng)位于645 nm，光致發(fā)光(PL)光譜在NIR-II區(qū)域的908 nm處達(dá)到峰值。強(qiáng)而廣的吸收有利于吸收太陽(yáng)光的光能。此外，作者還研究了TPA-BTDH在ROS產(chǎn)生和光熱轉(zhuǎn)化方面的光敏特性。觀察到ROS指示劑DCFH-DA的發(fā)射強(qiáng)度顯著增強(qiáng)了195倍，揭示了ROS生成的高效率。TPA-BTDH粉末在1個(gè)太陽(yáng)光強(qiáng)照射下，150秒內(nèi)溫度達(dá)到62.8°C，表明其具有出色的將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱量的能力。此外，研究人員還評(píng)估了TPA-BTDH對(duì)ROS的穩(wěn)定性。在暴露于光照射24小時(shí)后，TPA-BTDH的吸收光譜沒(méi)有顯著變化。受TPA-BTDH優(yōu)異性能的鼓舞，研究人員采用氣體形成膨脹技術(shù)制造了以TPA-BTDH作為太陽(yáng)能吸收體的3D結(jié)構(gòu)納米纖維墊。首先，在靜電紡絲過(guò)程中將TPA-BTDH摻雜到纖維中。考慮到TPA-BTDH包裹在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中而不是涂覆在基質(zhì)表面上，吸收劑將是穩(wěn)定的。盡管它們的吸收被限制在550 nm到1000 nm的范圍內(nèi)，TPA-BTDH/PMMA納米纖維墊具有超過(guò)80%的光吸收率，并顯示出相當(dāng)大的將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱量的能力。

圖1 包含AIE發(fā)光原的AFPCF蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)與表征

AFPCF蒸發(fā)器的高效蒸發(fā)和抗生物污垢特性

為了探索太陽(yáng)能蒸發(fā)器的蒸發(fā)能力，研究人員將3 cm高的AFPCF用泡沫包裹，然后漂浮在裝有3.5 wt% NaCl水溶液的燒杯上。蒸發(fā)器表面和側(cè)面區(qū)域的溫度也由紅外攝像機(jī)記錄，以研究模擬陽(yáng)光照射方向?qū)φ舭l(fā)能力的影響（圖2）。由于輻照方向設(shè)置為垂直于蒸發(fā)器，蒸發(fā)器表面的溫度在1 h內(nèi)升至46.5 ℃，遠(yuǎn)高于蒸發(fā)器側(cè)的溫度（僅28.9 ℃）。此外，由于照射方向向蒸發(fā)器傾斜（入射角為 60°），蒸發(fā)器表面和側(cè)面的溫度在1小時(shí)內(nèi)分別增加到44.5和39.5 ℃。因此，蒸發(fā)器的表面和側(cè)面都作為受熱蒸發(fā)區(qū)在太陽(yáng)傾斜照射期間產(chǎn)生蒸汽。這樣可以在不增加蒸發(fā)器表面積的情況下，大大增加有效蒸發(fā)面積。模擬海水的質(zhì)量隨著輻照時(shí)間的增加而減少。在1個(gè)太陽(yáng)光的垂直照射下，蒸發(fā)器的蒸發(fā)率為2.4 kg m-2 h-1，對(duì)應(yīng)的暗蒸發(fā)率為0.8 kg m-2 h-1。值得注意的是，當(dāng)垂直照射轉(zhuǎn)向傾斜照射時(shí)，蒸發(fā)率從2.4 kg m-2 h-1急劇增加，這主要是由于側(cè)面區(qū)域產(chǎn)生的額外熱量，以及高蒸發(fā)率隨著時(shí)間的推移保持穩(wěn)定。模擬太陽(yáng)光的入射角設(shè)置為180°，只能照射側(cè)面區(qū)域，AFPCF的蒸發(fā)率降低到2.8 kg m-2 h-1在沒(méi)有表面蒸發(fā)的情況下。這些結(jié)果表明，側(cè)面積輔助蒸發(fā)是一種基于自然陽(yáng)光傾斜照射增強(qiáng)整體蒸發(fā)的簡(jiǎn)便策略。眾所周知，蒸發(fā)器周?chē)鷷?huì)在蒸發(fā)過(guò)程中形成溫暖的環(huán)境，促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)，嚴(yán)重影響蒸發(fā)器的使用壽命。受TPA-BTDH的高效ROS生成以及細(xì)菌光動(dòng)力殺滅效率的啟發(fā)，通過(guò)將大腸桿菌，表皮葡萄球菌，金黃色葡萄球菌和耐甲氧西林S.金黃色葡萄球菌(MRSA)分別附著蒸發(fā)器表面證明了蒸發(fā)器優(yōu)異的使用壽命和自抗污性能。

圖2 AFPCF的光學(xué)照片及蒸發(fā)能力表征

為了探索AFPCF的凈水能力，研究人員精心制備了兩個(gè)樣品含有五種主要離子（Na+、Mg2+、K+、Ca2+和Pb2+）的模擬海水和含有四種細(xì)菌的廢水（E.大腸桿菌、表皮葡萄球菌、金黃色葡萄球菌、MRSA)。為了從樣品中收集純凈水，研究人員手工制作了一個(gè)封閉的蒸發(fā)系統(tǒng)，它由一個(gè)高透光率的玻璃蓋、一個(gè)裝滿樣品水的杜瓦瓶和蒸發(fā)器組成（圖3）。首先使用模擬海水進(jìn)行測(cè)試，作為蒸發(fā)系統(tǒng)在1個(gè)太陽(yáng)傾斜照射下，在玻璃蓋內(nèi)壁產(chǎn)生并凝結(jié)的蒸汽。隨著照射時(shí)間的增加，蒸氣變成液體并形成液滴，然后融合在一起，照射1小時(shí)內(nèi)玻璃內(nèi)蓋的濕度從60％增加到99％。經(jīng)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)凈化后，淡黃色模擬海水轉(zhuǎn)變成無(wú)色透明液體。通過(guò)電感耦合等離子體質(zhì)譜法指出，模擬海水的離子濃度（Na+、Mg2+、K+、Ca2+和Pb2+）從103減小到10-1 mg L-1與太陽(yáng)能蒸發(fā)處理后的效率為99.9%，遠(yuǎn)低于世界衛(wèi)生組織（WHO）的飲用水標(biāo)準(zhǔn)（1‰）。重要的是，所提出的蒸發(fā)器可以在7天周期（每天8小時(shí)）內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定地產(chǎn)生清潔水，表明其在太陽(yáng)能海水淡化中具有出色的耐用性和出色的抗鹽性能。除了離子污染物，細(xì)菌和微生物污染是水凈化的另一個(gè)挑戰(zhàn)。作者利用蒸發(fā)系統(tǒng)凈化含有四種細(xì)菌的廢水。在冷凝水中沒(méi)有觀察到細(xì)菌克隆，表明細(xì)菌的有效去除。這些結(jié)果有力地表明，這種開(kāi)發(fā)的AFPCF蒸發(fā)器能夠通過(guò)太陽(yáng)輻射實(shí)現(xiàn)海水和廢水中的水凈化。

圖3 AFPCF的凈水能力表征

小結(jié)：作者通過(guò)將側(cè)區(qū)輔助蒸發(fā)與AIEgen相結(jié)合制備了新型AFPCF蒸發(fā)器，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的蒸發(fā)性能和抗生物污垢性能。AIEgen的存在賦予了蒸發(fā)器出色的光熱轉(zhuǎn)換和光動(dòng)力抗菌能力。蒸發(fā)器的太陽(yáng)能蒸發(fā)率高達(dá)3.6 kg m-2 h-1。此外，AIEgen在陽(yáng)光照射下持續(xù)產(chǎn)生ROS，高度抑制蒸發(fā)器附近細(xì)菌的生長(zhǎng)，顯示出優(yōu)越的抗生物污垢性能。所提出的蒸發(fā)器進(jìn)一步用于凈化含有各種細(xì)菌的模擬海水和廢水，并實(shí)現(xiàn)了符合WHO飲用水標(biāo)準(zhǔn)的高質(zhì)量?jī)艋Ｒ虼耍喙δ軅?cè)區(qū)域輔助蒸發(fā)器為構(gòu)建用于水凈化和其他應(yīng)用的下一代智能蒸發(fā)器打開(kāi)了一扇窗，包括水分管理、海洋生態(tài)系統(tǒng)和廢水處理。

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