水面漂来的神秘箱子（穿上黑衣的沙子能用于淡水收集）

唐代诗人李白曾感叹道：“黄河之水天上来，奔流到海不复回”，黄河水为何奔流不息？其实这背后蕴藏的是自然界中庞大的水循环。

在太阳能的驱动下，水不断改变形态，并被传输到地球的各个角落，也因此为地表生物源源不断地提供着净化的水源（图1a）。类似地，太阳能水蒸发技术也能通过蒸发-冷凝过程将非饮用水（海水、湖水、污水等）转化为可饮用的纯水，并由于其清洁环保、成本低廉以及不需要额外能量供给等特点，在淡水短缺的地区有着广阔的应用前景（图 1b）。

其中，太阳能界面光热水蒸发，通过光热蒸发器将太阳能转化为热能，并将热量限制在蒸发器的上表面，仅用于此处的水分加热蒸发，能进一步提高水蒸发能力，因此近年来备受关注（图 1c）。

但是对于当前已发展的光热蒸发器材料，其具有原材料来源窄、制备复杂、成本高、稳定性低、环境适应性差等缺点，限制了在光热淡水收集方向的进一步发展。因此，如何设计制备一种来源广、成本低的光热蒸发器材料，并实现可持续、因地制宜、高效的获取淡水，仍是一个亟需解决的科学难题。

图1. a)自然界中的水循环（图片来自网络）；b) 太阳能水蒸发技术收集纯水工作示意图；c) 太阳能界面光热水蒸发过程示意图

沙子，由自然界中的岩石通过风化作用而形成细小的颗粒（图 2a），在我们日常生活中随处可见，其主要成份是二氧化硅（SiO₂），已被广泛用于建筑、玻璃及电子等行业。虽然沙子具有很多潜在用途，但你听说过沙子能被用于淡水收集吗？

相信很多人夏天喜欢去海边沙滩。当你走在沙滩上，是不是会感觉沙滩特别烫，有时还不得不穿上鞋子？这是因为沙子本身具有一定的光吸收能力，并能够其转化为热能，加之其具有比较低的比热容，因此在太阳的照射下，沙滩往往具有一个比较高的温度。另外，由于沙子聚集时，内部通常会形成一系列微米级的孔道，而这些孔道能够提供充足的毛细作用力，使沙子具有一个向上运输水的能力（图 2b）。这些特点，使得沙子这种价格低廉，储量丰富的材料，具有成为太阳能界面光热蒸发器材料的潜力。

图2. a) 自然界中沙子的形成（图片来自网络）；b)沙子具有优秀的向上供水的能力，可将水从底部运输到顶部

然而仅靠沙子本身的吸收来获取热量对于实现高效的蒸发来说是远远不够的，为了使沙子具有更强的光吸收能力，中科院宁波材料所的科研人员为其量身打造了一件“黑色的衣服”，其主要成份是光热高分子——聚吡咯。但是如果直接将这层“黑衣”穿在沙子表面，由于两者间较弱的结合力，会导致在使用过程中“黑衣”脱落。在此，科研人员受到大自然中贻贝的启发，借助聚多巴胺与聚吡咯之间丰富的氢键和π相互作用来粘合沙子与这件“黑衣”，使这件“黑衣”更牢靠地穿着在沙子表面（图3a）。结果，这种穿上“黑衣”的沙子，在相同的光照条件下，具有更强的光吸收能力（图3b），从而显示出更高的温度（图 3c），更有利于增强其光热淡水收集能力。

图3. a)为沙子穿“黑衣”的示意图；b)穿“黑衣”后，沙子具有更强的光吸收能力；c)在相同的光照下，穿“黑衣”的沙子呈现更高的温度

在相关实验中，这种穿“黑衣”的沙子能够将绝大部分太阳光吸收，并且转换成热能，来加热沙子中储存的水，从而实现海水的蒸发，在水蒸气经过冷凝后，最终获得淡水。在这个过程中，由于沙子聚集形成的微米级孔道产生的毛细作用力，下端待纯化的海水会持续的被传输到上端，来补充因蒸发而失去的水分，结果在一个太阳下（1kw/m²），海水淡化速度可达1.21kgm^-2h^-1，这意味着在这种光强下，每平方米穿“黑衣”的沙子仅工作2小时就能满足一个成年人一天的饮用水需求（2~2.5 kg/天）。除了传统的光热海水纯化外，这种穿“黑衣”的沙子也展示出较强的环境自适应性，能适应多种不同的应用环境。如当海水遭受城市和工业区的油污染时，若直接将含油污水直接供给蒸发器，可能会导致蒸发器的污染和蒸发速度的降低。为了实现高效、可持续地净水，由亲水性的沙子聚集形成的微孔可预先有效的分离含油污水，并随后用于光热蒸发。结果显示，经过预分离后，在保证蒸发器不受污染的同时，其水净化速率提升至未预分离的1.4倍。另外，在一些内陆的干旱地区或沙漠中，没有直接可用水源，绝大部分水汽分布在空气中。由于制备过程中有无机盐的掺杂以及在内部毛细作用力的协同作用下，这种穿“黑衣”的沙子可以先吸收大气中的水分，随后在太阳光的驱动下，原位进行光热蒸发而获得淡水。在实际的户外大气淡水收集实验中，其日均纯水收集能力约为1.13 kg/m²，是纯沙子的16倍。可以看到，沙子这种价格低廉、储量丰富的材料，通过简单的化学修饰（穿“黑衣”），就可以实现在多变的应用环境中进行高效、可持续、因地制宜的淡水收集，这些都为其将来进一步实现产业化提供了可能。

图4.穿“黑衣”的沙子展示出较强的环境自适应性，能适应多种不同的应用环境; a) 太阳能界面光热海水纯化；b) 面对遭受原油污染的海水，可以预先进行油水分离，再进行纯化；c) 在远离可见水源的情况下，可晚上吸收空气中的水分，随后在白天进行蒸发，获取淡水

该研究结果以“Collective behaviors mediated multifunctional black sand aggregate towards environmentally adaptive solar-to-thermal purified water harvesting”为题，在线发表在Nano Energy （DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104311），并申请了相关专利。

来源：中国科学院宁波材料技术与工程研究所