贤集网7月29日讯：太阳能驱动的界面蒸汽发电(SISG)已被公认为以环保和低成本的方式解决水资源短缺的有前途的策略。在过去的几十年里，科学家们一直致力于设计理想的蒸发器，包括用于高效光热转换的太阳能吸收器，以及用于隔热和输水的浮动结构，以增加蒸发率。与2D蒸发器相比，3D类似物由于减少了光反射和从环境中获得的能量而表现出出色的蒸发性能。然而，以往的研究大多在蒸发试验时将模拟太阳的辐照设置为垂直于蒸发器表面，而对模拟倾斜辐照的研究相对较少。蒸发器的表面积和侧面区域由于其倾斜照射功能可以吸收自然阳光下的太阳能，从而可以放大有效加热面积和蒸发率。因此，侧面积辅助蒸发可以提供一种可行且简单的方案来设计先进的蒸发器以实现超高蒸发率。

此外，在蒸发过程中，蒸发器周围形成的温暖环境会促进微生物的生长，严重影响蒸发器的使用寿命，尤其是废水处理。因此，利用功能性吸收剂同时实现高效蒸发和抗生物污染是一项主要要求。在常规方法中，Ag、ZnO纳米粒子和Mxene在蒸发器中额外掺入抑菌剂，使蒸发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，这些策略在制备过程中需要繁琐的劳动，并且由于相容性不足而影响蒸发输出。显然，探索具有光热转换和抗生物污损能力的单一材料将是一项有吸引力但极具挑战性的任务。聚集诱导发射（AIE）活性分子作为一种新出现的光敏剂，可以通过合理的设计同时提供高性能的光热转换和活性氧（ROS）生产，可能是构建具有高效蒸发和抗生物污垢功能的3D蒸发器的理想候选者。

鉴于此，深圳大学Li Ying、王东、唐本忠院士等报道了一种包含AIE发光原(AIEgens)的全纤维多孔圆柱状泡沫(AFPCF)，该泡沫具有优异的光热转换和ROS生成能力，可同时实现高效的太阳能蒸汽生成和抗生物污垢效应。这项工作首次将侧面辅助蒸发和抗生物污垢活性集成到蒸发器中。所呈现的蒸发器具有互连的多孔结构，具有出色的亲水性，可用于蒸汽逸出和供水，侧面辅助蒸发系统可增加有效蒸发面积，以及有效光动力杀死纤维附近的细菌以防止生物污染。相关工作以“Side Area-Assisted 3D Evaporator with Antibiofouling Function for Ultra-Efficient Solar Steam Generation”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。

含AIE发光原的太阳能蒸发器的设计与表征

研究人员经过精心设计并通过三个步骤轻松合成典型的D-A-D分子（TPA-BTDH），其具有丰富的分子旋转器、大扭曲角和非平面结构，可能使其分子内运动受到部分限制，但在纤维状态下仍然活跃，潜在地允许高光热转换和ROS生成受益于平衡的能量耗散。TPA-BTDH的最大吸收波长位于645 nm，光致发光(PL)光谱在NIR-II区域的908 nm处达到峰值。强而广的吸收有利于吸收太阳光的光能。此外，作者还研究了TPA-BTDH在ROS产生和光热转化方面的光敏特性。观察到ROS指示剂DCFH-DA的发射强度显着增强了195倍，揭示了ROS生成的高效率。TPA-BTDH粉末在1个太阳光强照射下，150秒内温度达到62.8°C，表明其具有出色的将太阳能转化为热量的能力。此外，研究人员还评估了TPA-BTDH对ROS的稳定性。在暴露于光照射24小时后，TPA-BTDH的吸收光谱没有显着变化。受TPA-BTDH优异性能的鼓舞，研究人员采用气体形成膨胀技术制造了以TPA-BTDH作为太阳能吸收体的3D结构纳米纤维垫。首先，在静电纺丝过程中将TPA-BTDH掺杂到纤维中。考虑到TPA-BTDH包裹在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中而不是涂覆在基质表面上，吸收剂将是稳定的。尽管它们的吸收被限制在550 nm到1000 nm的范围内，TPA-BTDH/PMMA纳米纤维垫具有超过80%的光吸收率，并显示出相当大的将太阳能转化为热量的能力。

图1 包含AIE发光原的AFPCF蒸发器的设计与表征

AFPCF蒸发器的高效蒸发和抗生物污垢特性

为了探索太阳能蒸发器的蒸发能力，研究人员将3 cm高的AFPCF用泡沫包裹，然后漂浮在装有3.5 wt% NaCl水溶液的烧杯上。蒸发器表面和侧面区域的温度也由红外摄像机记录，以研究模拟阳光照射方向对蒸发能力的影响（图2）。由于辐照方向设置为垂直于蒸发器，蒸发器表面的温度在1 h内升至46.5 ℃，远高于蒸发器侧的温度（仅28.9 ℃）。此外，由于照射方向向蒸发器倾斜（入射角为 60°），蒸发器表面和侧面的温度在1小时内分别增加到44.5和39.5 ℃。因此，蒸发器的表面和侧面都作为受热蒸发区在太阳倾斜照射期间产生蒸汽。这样可以在不增加蒸发器表面积的情况下，大大增加有效蒸发面积。模拟海水的质量随着辐照时间的增加而减少。在1个太阳光的垂直照射下，蒸发器的蒸发率为2.4 kg m-2 h-1，对应的暗蒸发率为0.8 kg m-2 h-1。值得注意的是，当垂直照射转向倾斜照射时，蒸发率从2.4 kg m-2 h-1急剧增加，这主要是由于侧面区域产生的额外热量，以及高蒸发率随着时间的推移保持稳定。模拟太阳光的入射角设置为180°，只能照射侧面区域，AFPCF的蒸发率降低到2.8 kg m-2 h-1在没有表面蒸发的情况下。这些结果表明，侧面积辅助蒸发是一种基于自然阳光倾斜照射增强整体蒸发的简便策略。众所周知，蒸发器周围会在蒸发过程中形成温暖的环境，促进微生物的生长，严重影响蒸发器的使用寿命。受TPA-BTDH的高效ROS生成以及细菌光动力杀灭效率的启发，通过将大肠杆菌，表皮葡萄球菌，金黄色葡萄球菌和耐甲氧西林S.金黄色葡萄球菌(MRSA)分别附着蒸发器表面证明了蒸发器优异的使用寿命和自抗污性能。

图2 AFPCF的光学照片及蒸发能力表征

为了探索AFPCF的净水能力，研究人员精心制备了两个样品含有五种主要离子（Na+、Mg2+、K+、Ca2+和Pb2+）的模拟海水和含有四种细菌的废水（E.大肠杆菌、表皮葡萄球菌、金黄色葡萄球菌、MRSA)。为了从样品中收集纯净水，研究人员手工制作了一个封闭的蒸发系统，它由一个高透光率的玻璃盖、一个装满样品水的杜瓦瓶和蒸发器组成（图3）。首先使用模拟海水进行测试，作为蒸发系统在1个太阳倾斜照射下，在玻璃盖内壁产生并凝结的蒸汽。随着照射时间的增加，蒸气变成液体并形成液滴，然后融合在一起，照射1小时内玻璃内盖的湿度从60％增加到99％。经太阳能驱动蒸发系统净化后，淡黄色模拟海水转变成无色透明液体。通过电感耦合等离子体质谱法指出，模拟海水的离子浓度（Na+、Mg2+、K+、Ca2+和Pb2+）从103减小到10-1 mg L-1与太阳能蒸发处理后的效率为99.9%，远低于世界卫生组织（WHO）的饮用水标准（1‰）。重要的是，所提出的蒸发器可以在7天周期（每天8小时）内持续稳定地产生清洁水，表明其在太阳能海水淡化中具有出色的耐用性和出色的抗盐性能。除了离子污染物，细菌和微生物污染是水净化的另一个挑战。作者利用蒸发系统净化含有四种细菌的废水。在冷凝水中没有观察到细菌克隆，表明细菌的有效去除。这些结果有力地表明，这种开发的AFPCF蒸发器能够通过太阳辐射实现海水和废水中的水净化。

图3 AFPCF的净水能力表征

作者通过将侧区辅助蒸发与AIEgen相结合制备了新型AFPCF蒸发器，实现了优异的蒸发性能和抗生物污垢性能。AIEgen的存在赋予了蒸发器出色的光热转换和光动力抗菌能力。蒸发器的太阳能蒸发率高达3.6 kg m-2 h-1。此外，AIEgen在阳光照射下持续产生ROS，高度抑制蒸发器附近细菌的生长，显示出优越的抗生物污垢性能。所提出的蒸发器进一步用于净化含有各种细菌的模拟海水和废水，并实现了符合WHO饮用水标准的高质量净化。因此，多功能侧区域辅助蒸发器为构建用于水净化和其他应用的下一代智能蒸发器打开了一扇窗，包括水分管理、海洋生态系统和废水处理。