唐代詩人李白曾感嘆道：“黃河之水天上來，奔流到海不復回”，黃河水為何奔流不息？其實這背後蘊藏的是自然界中龐大的水循環。
在太陽能的驅動下，水不斷改變形態，並被傳輸到地球的各個角落，也因此為地表生物源源不斷地提供著淨化的水源（圖1a）。類似地，太陽能水蒸發技術也能通過蒸發-冷凝過程將非飲用水（海水、湖水、汙水等）轉化為可飲用的純水，並由於其清潔環保、成本低廉以及不需要額外能量供給等特點，在淡水短缺的地區有著廣闊的應用前景（圖 1b）。
其中，太陽能界面光熱水蒸發，通過光熱蒸發器將太陽能轉化為熱能，並將熱量限制在蒸發器的上表面，僅用於此處的水分加熱蒸發，能進一步提高水蒸發能力，因此近年來備受關注（圖 1c）。
但是對於當前已發展的光熱蒸發器材料，其具有原材料來源窄、製備複雜、成本高、穩定性低、環境適應性差等缺點，限制了在光熱淡水收集方向的進一步發展。因此，如何設計製備一種來源廣、成本低的光熱蒸發器材料，並實現可持續、因地制宜、高效的獲取淡水，仍是一個亟需解決的科學難題。
圖1. a)自然界中的水循環（圖片來自網絡）；b) 太陽能水蒸發技術收集純水工作示意圖；c) 太陽能界面光熱水蒸發過程示意圖
沙子，由自然界中的岩石通過風化作用而形成細小的顆粒（圖 2a），在我們日常生活中隨處可見，其主要成份是二氧化硅（SiO2），已被廣泛用於建築、玻璃及電子等行業。雖然沙子具有很多潛在用途，但你聽說過沙子能被用於淡水收集嗎？
相信很多人夏天喜歡去海邊沙灘。當你走在沙灘上，是不是會感覺沙灘特別燙，有時還不得不穿上鞋子？這是因為沙子本身具有一定的光吸收能力，並能夠其轉化為熱能，加之其具有比較低的比熱容，因此在太陽的照射下，沙灘往往具有一個比較高的溫度。另外，由於沙子聚集時，內部通常會形成一系列微米級的孔道，而這些孔道能夠提供充足的毛細作用力，使沙子具有一個向上運輸水的能力（圖 2b）。這些特點，使得沙子這種價格低廉，儲量豐富的材料，具有成為太陽能界面光熱蒸發器材料的潛力。
圖2. a) 自然界中沙子的形成（圖片來自網絡）；b)沙子具有優秀的向上供水的能力，可將水從底部運輸到頂部
然而僅靠沙子本身的吸收來獲取熱量對於實現高效的蒸發來說是遠遠不夠的，為了使沙子具有更強的光吸收能力，中科院寧波材料所的科研人員為其量身打造了一件“黑色的衣服”，其主要成份是光熱高分子——聚吡咯。但是如果直接將這層“黑衣”穿在沙子表面，由於兩者間較弱的結合力，會導致在使用過程中“黑衣”脫落。在此，科研人員受到大自然中貽貝的啟發，藉助聚多巴胺與聚吡咯之間豐富的氫鍵和π相互作用來粘合沙子與這件“黑衣”，使這件“黑衣”更牢靠地穿著在沙子表面（圖3a）。結果，這種穿上“黑衣”的沙子，在相同的光照條件下，具有更強的光吸收能力（圖3b），從而顯示出更高的溫度（圖 3c），更有利於增強其光熱淡水收集能力。
圖3. a)為沙子穿“黑衣”的示意圖；b)穿“黑衣”後，沙子具有更強的光吸收能力；c)在相同的光照下，穿“黑衣”的沙子呈現更高的溫度
在相關實驗中，這種穿“黑衣”的沙子能夠將絕大部分太陽光吸收，並且轉換成熱能，來加熱沙子中儲存的水，從而實現海水的蒸發，在水蒸氣經過冷凝後，最終獲得淡水。在這個過程中，由於沙子聚集形成的微米級孔道產生的毛細作用力，下端待純化的海水會持續的被傳輸到上端，來補充因蒸發而失去的水分，結果在一個太陽下（1kw/m2），海水淡化速度可達1.21kgm-2h-1，這意味著在這種光強下，每平方米穿“黑衣”的沙子僅工作2小時就能滿足一個成年人一天的飲用水需求（2~2.5 kg/天）。除了傳統的光熱海水純化外，這種穿“黑衣”的沙子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。如當海水遭受城市和工業區的油汙染時，若直接將含油汙水直接供給蒸發器，可能會導致蒸發器的汙染和蒸發速度的降低。為了實現高效、可持續地淨水，由親水性的沙子聚集形成的微孔可預先有效的分離含油汙水，並隨後用於光熱蒸發。結果顯示，經過預分離後，在保證蒸發器不受汙染的同時，其水淨化速率提升至未預分離的1.4倍。另外，在一些內陸的乾旱地區或沙漠中，沒有直接可用水源，絕大部分水汽分佈在空氣中。由於製備過程中有無機鹽的摻雜以及在內部毛細作用力的協同作用下，這種穿“黑衣”的沙子可以先吸收大氣中的水分，隨後在太陽光的驅動下，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，其日均純水收集能力約為1.13 kg/m
2，是純沙子的16倍。可以看到，沙子這種價格低廉、儲量豐富的材料，通過簡單的化學修飾（穿“黑衣”），就可以實現在多變的應用環境中進行高效、可持續、因地制宜的淡水收集，這些都為其將來進一步實現產業化提供了可能。
圖4.穿“黑衣”的沙子展示出較強的環境自適應性，能適應多種不同的應用環境; a) 太陽能界面光熱海水純化；b) 面對遭受原油汙染的海水，可以預先進行油水分離，再進行純化；c) 在遠離可見水源的情況下，可晚上吸收空氣中的水分，隨後在白天進行蒸發，獲取淡水
該研究結果以“Collective behaviors mediated multifunctional black sand aggregate towards environmentally adaptive solar-to-thermal purified water harvesting”為題，在線發表在Nano Energy （DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104311），並申請了相關專利。
來源：中國科學院寧波材料技術與工程研究所
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