近日，國際頂尖期刊Science Advances報道了美國德州奧斯汀分校余桂華教授課題組構(gòu)建的一種具有高度可水合聚合物網(wǎng)絡(luò)的光吸收水凝膠（h-LAH）用于太陽能水凈化。此水凝膠由具有光熱轉(zhuǎn)換性能的聚吡咯（PPy）和聚乙烯醇（PVA）與殼聚糖（chitosan）組成的高分子網(wǎng)絡(luò)形成。由于水分子與高分子鏈上官能團的相互作用，水合聚合物網(wǎng)絡(luò)中存在三種水，分別為結(jié)合水，中間水和自由水。水凝膠中的聚合物鏈可以通過強相互作用（如氫鍵）捕獲附近的水分子，形成結(jié)合水（圖1，深藍色區(qū)域）。相反，遠離聚合物鏈的水分子（稱為自由水,FW）表現(xiàn)出與純水相同的性質(zhì)（圖1，淺藍色區(qū)域）。

在結(jié)合水和自由水之間的中間區(qū)域（圖1，黃色區(qū)域），水分子與聚合物鏈和相鄰水分子呈現(xiàn)相對微弱的相互作用，稱為中間水(IW)。與純水相比，中間水可以通過更少的能量蒸發(fā)。此文通過調(diào)控聚合物與水的相互作用，改變了水凝膠中的水狀態(tài)以及水相變行為，降低了水蒸發(fā)的能量需求?；趆-LAH的太陽光水蒸發(fā)在一個太陽光下的蒸發(fā)速率可以提高到3.6kg m-2h-1，能用于去除各種可溶性離子污染物，具有防污功能和耐久性，可實現(xiàn)高效，可擴展且經(jīng)濟高效的太陽能水凈化。

圖1.基于h-LAH的太陽能水蒸氣的產(chǎn)生

為了降低水蒸發(fā)的能量需求，此文構(gòu)建了由不同比例的PVA和殼聚糖組成的聚合物網(wǎng)絡(luò)。隨殼聚糖比例的增加，h-LAHs的水合性逐漸提高。這是由于殼聚糖鏈上存在高度可水合的-NH2基團（圖2B），與-OH集團相比它能吸收更多的水分子。除此以外，h-LAHs中IW的含量也隨殼聚糖比例的提高而增加（圖2C），降低了水的蒸發(fā)焓（圖2D）。因此，通過調(diào)控聚合物與水之間的相互作用，水的狀態(tài)以及其相變行為可被改變。

圖2.h-LAH中的可調(diào)節(jié)的水狀態(tài)和蒸發(fā)焓

h-LAH不僅可用于高效太陽能海水淡化，還可用于純化酸，堿以及除去重金屬離子，在凈化含有多種離子污染物的工業(yè)污水方面有巨大的潛力（圖3）。

圖3.基于h-LAH的太陽能水蒸發(fā)

參考文獻：Architecting highly hydratable polymer networksto tune the water state for solar water purification. Xingyi Zhou, Fei Zhao, Youhong Guo,Brain Rosenberger, Guihua Yu. Sci. Adv.,2019, 5, eaaw5484. DOI: 10.1126/sciadv.aaw5484