研究背景

由于人口增長、氣候變化和工業需求增加，解決淡水短缺問題已成為一項緊迫的全球性挑戰。傳統的海水淡化技術，如多級閃蒸、低溫多效蒸餾系統和反滲透，已經大大增加了淡水供應;然而，他們對化石燃料的依賴帶來了巨大的環境和能源挑戰。在此背景下，界面太陽能海水淡化已成為一種很有前途的替代方案，為解決全球淡水短缺問題提供了可持續的解決方案。這項技術利用豐富的太陽能，將其轉化為直接應用于水中的熱量，從而增強蒸發和冷凝過程，而無需傳統的不可再生能源輸入。為提高界面太陽能海水淡化系統的性能，已經做出了重大努力，包括設計架構以最大限度地提高光吸收率。提高光熱材料的能量轉換效率，以及降低水分蒸發的焓。然而，這些方法通常需要對光熱材料內的整個水體進行大量加熱，其中大部分加熱的水不會導致蒸發，從而導致熱量損失和有限的水蒸發速率。因此，推進材料設計和結構工程以優化太陽能海水淡化蒸發器中的水流通道，以最大限度地減少熱損失和提高蒸發速率，盡管具有挑戰性，但將提供一種替代策略。

約束毛細管是一種普遍存在的自然現象，被廣泛用于提高各種應用中的水運輸效率。這個過程是由密閉空間中膠粘劑和內聚力之間的相互作用驅動的，并使水能夠抵抗重力運動;從植物養分吸收到工程流體動力學系統，約束毛細管在各個過程中都是必不可少的。利用約束毛細作用有望通過優化通過狹窄通道的水流來提高太陽能海水淡化的效率，從而增加蒸發表面積并最大限度地提高能源利用率。例如，堆疊的納米球已被用于創建水通道并誘導約束毛細作用，從而導致更高的水分蒸發速率。然而，仍然存在重大挑戰，因為聚集的納米球在機械壓縮下很容易移位，并且會從其襯底上脫落，從而限制了它們的工業應用。

金屬-酚醛網絡 （MPN） 由天然多酚和金屬離子組成，是粘性超分子金屬-有機材料，由于其不同的相互作用（例如氫鍵、π-π 堆疊和疏水相互作用），可以在幾分鐘內在各種基材上形成涂層。此外，MPN 具有 8000 多種天然功能性多酚和多種金屬離子，因此具有可定制和模塊化的物理化學特性，使其適用于各種應用，包括生物醫學、催化和太陽能海水淡化。

主要數據

方案1：C-MPN 的制備和性質示意圖。a） 裂紋網絡為變色龍皮膚提供了柔韌性和抗彎曲性。b） 葉片中的管道網絡確保水分在整個葉片中分布。c） 裂紋網絡賦予 MPN 涂層柔韌性、抗彎曲性和水傳輸性能。d）C-MPN 涂層海綿（即 sponge@C-MPN）的制備示意圖。e） C-MPN 的超親水性和光熱轉化特性。f） C-MPN 促進的約束毛細作用。g） 有和沒有約束毛細管的光熱材料中的水分布示意圖。h） C-MPN 可以承受反復壓縮并保持穩定的限制毛細管以供實際應用。i） S-MPN 在壓縮時脫離，隨之而來的限制毛細血管丟失。S-MPN（堆疊 MPN）代表對照組，由由緊密堆積的 NP 組成的 MPN 涂層組成，沒有裂紋圖案。

圖1：C-MPN 的制造和表征。a) TA 和 APTES 的化學結構。b) 通過兩步工藝制造sponge@MPNs（sponge@MPN NP 和 sponge@C-MPN）。c) 原始海綿、sponge@MPN NP（[TA] = 2、4 和 12 mg mL?1）和 sponge@C-MPN（[TA] = 8 mg mL?1）的 SEM 圖像。比例尺為 5 μm。插圖是相應海綿及其水接觸角的照片。d）sponge@C-MPN 的 EDX 映射。比例尺為 3 μm。e，f) 不同海綿的 O1s （e） 和拉曼光譜 （f） 的曲線擬合。g） 代表性 C-MPN 橫截面的 SEM 圖像。h） 低場核磁共振 （LF-NMR） T2純水和 sponge@C-MPN 的弛豫譜。i） 提出的 C-MPN 中裂紋形成的機制。

圖2：裂紋對海水淡化性能的影響。a） 在不同干燥溫度（30、60 和 80 °C）下形成的裂紋的 SEM 圖像。比例尺為 2 μm。b） 在不同干燥溫度下獲得具有不同裂紋的 C-MPN 的節點編號和 c） 紫外-可見吸收光譜。d） 不同 sponge@C-MPN 在一次太陽照射下的熱紅外圖像和相關溫度變化。e） 3D 顯微 CT 圖像顯示 C-MPN 上有一層薄水層。f） 具有不同裂紋的 sponge@C-MPN 的高分辨率顯微 CT 圖像。比例尺為 100 μm。g） 示意圖顯示了在 sponge@C-MPN 骨架上形成的薄水層。h） 不同海綿骨骼上的水層厚度。數據顯示為平均值±標準差 （SD， n = 4）。i） 蒸發過程中不同海綿的水層厚度變化。j） sponge@C-MPN 的顯微 CT 圖像30°C在一次陽光照射下蒸發 6 小時前后 k） 在一次陽光照射下使用蒸發器蒸發的水量隨時間的變化。l） 3.5 wt.% NaCl 溶液在一次陽光照射下處理 6 h 過程中不同海綿的蒸發速率變化。插圖是海水淡化后海綿的照片。

C-MPN 的抗壓性30°C.a，b） 涂有 C-MPN 的海綿的照片和 SEM 圖像30°C（a） 或 sponge@S-MPN （b） 在壓縮前后使用 20 g 砝碼進行 500 或 100 次循環。比例尺為 10 μm。c，d） 顯示 C-MPN 穩定性的示意圖30°C（c） 和壓縮前后 sponge@S-MPN 的穩定性降低(d)。e） 顯示 sponge@C-MPN 的穩定約束毛細管的示意圖30°C以及壓縮后 sponge@S-MPN 的限制毛細血管的損失。f） sponge@C-MPN 的水分蒸發率30°C以及壓縮前后的 sponge@S-MPN。數據顯示為 SD ±平均值 （n = 4）。

圖4：C-MPN 的尺寸效應和戶外性能30°C.a） sponge@C-MPN 的照片30°C不同維度。b） 用于 sponge@C-MPN 的供水裝置示意圖30°C.c） sponge@C-MPN 的水層厚度和蒸發速率30°C不同維度。數據顯示為 SD ±平均值 （n = 4）。d） sponge@C-MPN 的長期蒸發性能30°C用于海水。e） 基于 sponge@C-MPN 的蒸發器設備的照片30°C室外海水淡化之前（左）和之后（右）。f） 不同環境溫度和濕度水平下水分蒸發的室外實驗數據。g） 海水淡化前后不同金屬離子的濃度。

研究結論

在光熱涂層（即 C-MPN）中引入并設計了通常被認為是缺陷的裂紋，這不僅通過約束毛細作用顯著提高了太陽能海水淡化性能，而且還表現出優異的抗壓性。此外，C-MPN 能夠在高蒸發速率下實現長期穩定的海水蒸發，這在放大時也能保持。這項工作有望推進太陽能海水淡化光熱涂層合理設計的基礎和應用研究。通過整合材料設計和形態控制，拓寬了開裂結構在先進功能涂層開發中的潛在應用。

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202503896

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