淡水是一种有限的自然资源，它对维持所有生态系统的平衡至关重要。如今，超过30亿人受到严重的淡水短缺影响。随着人口的持续增长，淡水资源的污染以及气候的变化，提供安全足够的淡水更加困难。因此，开发高效、低成本以及大规模的水纯化技术十分重要。太阳能水纯化能够利用可持续的太阳能以及充足的海水，通过汽化过程分离水与杂质而实现水纯化，是一种很有前景的缓解淡水短缺的技术。但是，水的高蒸发焓导致此技术在自然阳光下纯化的水量较低。因此，开发同时具有高太阳能吸收、高效能量利用和能降低水蒸发所需能量的材料平台对于在自然条件下实现高效的太阳能水纯化十分必要。

近日，德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华教授（点击查看介绍）课题组在著名综述期刊Accounts of Chemical Research 上总结了对于水凝胶蒸发器的材料选择、分子工程以及结构设计，介绍了水凝胶中独特的水状态，并回顾了基于水凝胶蒸发器的太阳能水纯化的一系列工作，最后展望了未来水凝胶蒸发器的发展（图1）。

图1. 基于水凝胶的太阳能水蒸发器的独特性质

本文首先介绍了水凝胶中的独特水状态（图2）。水凝胶是具有水分子溶胀的三维交联高分子网络。由于高分子网络上的亲水官能团与水分子的相互作用，水凝胶中存在自由水，中间水以及结合水。与自由水相比，中间水对水蒸发的能量需求减少，有利于实现自然条件下的高效太阳能水净化。

图2. 高分子链与水分子的相互作用以及水凝胶中的独特水状态

然后，本文描述了基于水凝胶的太阳能蒸发器的设计原理（图3）。通过引入光热材料于水凝胶中，它可收集太阳能并将其转换为热能，用于分子网络中的水的蒸发。光热材料与水凝胶中亲水网络的相互作用可引导微结构的形成，减少能量损失并确保适当的水传输以实现持续的水蒸发。高分子网络可被设计以改变其中的水状态以及水汽化行为，进一步降低水蒸发所需能量。通过设计水凝胶表面，汽化前沿可被调控以进一步提高太阳能转化效率。除此以外，由于高分子网络的兼容性，功能化材料可被引入使水凝胶蒸发器具有多种功能，如防污、渗透选择性和热响应性等，以提高水的收集和净化能力。

图3. 用于太阳能水纯化的水凝胶蒸发器的合理设计

基于以上的设计，水凝胶蒸发器可具有高太阳能吸收、高效能量利用率、快速水运输与水活化，是一种有前途的材料平台，可实现自然阳光下的高效太阳能水纯化。通过继续改善其水纯化性能，机械性能，稳定性和可持续性，基于水凝胶的太阳能蒸发器对未来实现实际的水净化提供了可能（图4）。

图4. 用于太阳能水纯化的水凝胶蒸发器的前景

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Hydrogels as an Emerging Material Platform for Solar Water Purification

Xingyi Zhou, Youhong Guo, Fei Zhao, Guihua Yu

Acc. Chem. Res., 2019, 52, 3244-3253, DOI: 10.1021/acs.accounts.9b00455

余桂华教授简介

美国德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学与工程系和机械系终身教授，现任ACS Materials Letters副主编。余桂华教授课题组的研究重点是新型功能化有机和复合纳米材料的合理设计和合成，对其化学和物理性质的表征和探索，以及推广其在能源，环境和生命科学领域展现重要的技术应用。目前已在Science, Nature, Nature Reviews Materials, Nature Nanotechnology, Nature Communications, Science Advances, PNAS, Acc. Chem. Res., Chem. Soc. Rev., JACS, Angew. Chem., EES, Chem, Joule, Adv. Mater., Nano Lett., ACS Nano 等国际著名刊物上发表论文160余篇，论文引用26000次，H-index指数81。

http://www.x-mol.com/university/faculty/37838