某些地區的淡水資源貧乏，嚴重制約了社會及經濟的進一步發展。傳統的淡水收集技術往往需要額外的能源，成本較高。太陽能作為一種清潔、可再生的能源利用方式，對其進行高效開發是一種可嘗試的途徑。

近年來，通過將太陽能轉化成熱能，進而在遠遠低于水沸騰的溫度下產生蒸汽來進行淡水收集的方式已成為研究熱點。其中，該技術的核心在于光熱轉換材料的蒸發器的開發。然而，當前已發展的光熱材料，其原材料存在來源窄、制備復雜、成本高、穩定性低、環境適應性差等問題，限制了光熱技術在淡水收集方面的進一步發展。

針對上述問題，中國科學院寧波材料技術與工程研究所陳濤研究員課題組前期研發了一系列用于光熱淡水收集的高分子復合材料(Nano Energy 2019 , 60 , 841 ; ACS Appl.Mater.Inter. 2019,11,15498 ; Solar RRL 2019,3,1900004 ; Energy Techno. 2019 , 1900787)。

這些工作不但提出了一系列制備簡單、高轉化效率、低成本、高穩定性和環境適應性強的光熱材料，而且結合高分子材料固有的柔性、可裁剪、可縫制等特性，并通過簡單的方式將二維光熱材料轉變成三維材料，從而提高了淡水收集能力。

圖1：a)PPSD的制備示意圖；b-e)PPSD實現蒸發、分離及大氣水收集機理示意圖

圖2：a)PPSDs聚集體內自形成孔孔徑大小及分布；b)PPSDs聚集體優異的吸水性；c-f)聚吡咯與聚多巴胺分子間作用力及優化結構

最近，研究人員在前期工作的基礎上，受到夏日海邊沙灘溫度高這一現象的啟發，通過光熱高分子材料對天然砂子的仿生改性，賦予其優異的光熱轉換能力，并結合砂子聚集時會自發形成的可持續供水的毛細孔的特性，發展了一種基于仿生改性砂子聚集體的多功能光熱淡水收集器（Nano Energy,2020,68,104311），并實現了在多種應用環境中的淡水收集（圖1）。

天然海砂主要由二氧化硅組成，儲量豐富，由于不能成為建筑設施中的結構材料，因此價格低廉。在本研究中，錨定在天然砂子表面的聚多巴胺（PDA）既可以充當紅外線吸收劑，又可以充當有效的粘合劑，通過π相互作用和氫鍵橋接沙子和聚吡咯（PPy），從而形成結構穩定并具有高光熱轉化能力的黑砂（polypyrrole/polydopamine/sand，PPSD）。

此外，砂子的聚集行為使其自發形成微米尺度的自組織孔隙，這樣的多孔結構可以進一步產生毛細作用力，將水從沙層底部吸到頂部，這可以用作有效的供水通道（圖2）。

圖3：PPSDs用于光熱水蒸發性能表征及其機理模型討論

圖4：a-b)三維PPSDs海水淡化性能增強機理示意圖；c-g)三維PPSDs用于光熱海水淡化的性能表征及與目前所報道的基于天然材料光熱蒸發器的性能比較

得到的PPSDs可進一步用于2D/3D太陽能驅動的界面水凈化，在1個太陽下，蒸發速率可達到1.21kgm^-2h^-1（圖3）。得益于沙子很強的塑形能力，二維平面的PPSDs可簡單快速地轉變為三維立體的PPSDs，在1個太陽下蒸發速率可提升至1.43kgm^-2h^-1（圖4）。

圖5：PPSDs展示出較強的環境自適應性，能適應多種不同的應用環境

除了PPSDs能用于傳統的光熱海水純化外，其也展示出較強的環境自適應性，能適應多種不同的應用環境（圖5）。如當海水遭受城市和工業區的油污染時，若直接將含油污水直接供給蒸發器，會導致蒸發器的污染和蒸發速度的降低。為了實現高效、可持續的凈水，PPSDs中聚集形成的微孔可預先有效地分離含油污水，并在隨后用于光熱蒸發。

結果顯示，經過預分離后，PPSDs的蒸發速率得到了顯著提高，從0.87kgm^-2h^-1提升至1.19kgm^-2h^-1（圖5）。

另外，在一些內陸的干旱地區或沙漠中，沒有直接可見的水源，絕大部分水汽分布在空氣中。由于FeCl3的摻雜，以及在內部毛細作用力的協同作用下，PPSDs可以先吸收大氣中的水分，隨后在太陽光的驅動下，原位進行光熱蒸發而獲得淡水。

在實際的戶外大氣淡水收集實驗中，PPSDs的日均凈水收集能力約為1.13kgm^-2，遠高于純砂子收集能力（約0.07kgm^-2）。因此，該多功能PPSDs聚集體的概念為實現在多變的應用環境中對環境適應的淡水收集提供了一條新的途徑。