SAXS有奖征文精选 | Hofmeister效应启发的离子化太阳能蒸发水凝胶

一、介绍

近年来，太阳能蒸发作为一种可持续的淡水生产方法备受关注。研究表明，降低水的汽化焓可以提高太阳能蒸发性能。本研究受到生物现象的启发，选择了混沌盐碘化钾来影响聚合物链的构型和水结构，从而削弱水凝胶内部的氢键网络，提高中间水含量。通过分子动力学模拟，我们发现氢键的减少导致开发的PGI蒸发器在太阳光照射下实现了高速蒸发。这项工作验证了氢键削弱提高太阳能蒸发性能的策略，并首次进一步降低了汽化焓。我们还将霍夫迈斯特效应应用于太阳能海水淡化领域，通过选择合适的离子来改善性能。研究结果表明，离子的选择对水和聚合物链构型有重要影响，进一步降低了水的汽化焓。这项研究为降低汽化焓提供了新途径，具有简单、低成本和可推广的特点。

二、测试和结果

本研究使用了聚乙烯醇（PVA）、氧化石墨烯（GO）、碘化钾（KI）等化学品进行实验。首先制备了PVA溶液和混沌盐溶液。然后制备了PVA/GO水凝胶，通过浸泡在去离子水或碘化钾溶液中得到PGD或PGI水凝胶。样品形态和微观结构通过SEM、XRD、SAXS等进行表征。机械性能和光学性能也进行了测试。最后，通过太阳能模拟器进行水蒸发实验，测量蒸发率。通过这些实验，验证了氢键削弱提高太阳能蒸发性能的策略，并为太阳能海水淡化领域提供了新途径。

在本研究中，我们成功制备了具有优异蒸发性能的PVA/GO水凝胶，并进一步改进了其性能，制备了PGI水凝胶。经过模拟太阳光照射下的蒸发测试，我们发现PGI的蒸发性能提高了40%，蒸发率达到2.32 kg⋅m-2⋅h-1。通过SEM观察发现，在定向冷冻过程中形成了水通道，促进了水的运输。此外，PGI的太阳能吸收性能显著提高，光学损耗几乎可以忽略不计，有利于将太阳能高效转化为热能。在模拟盐水净化过程中，PGI的蒸发性能仅略有下降，表现出相当稳定的SVG性能和出色的耐久性。总体而言，PGI水凝胶在太阳能蒸发领域展现出了显著的性能优势，为海水淡化等应用领域提供了新的可能性。

图1. PVA/GO水凝胶的制备。

图2. 离子对水结构的影响及与ΔG_HB的关系。

通过X射线衍射和小角X射线散射（Xeuss 3.0）测试，我们证明了碘离子对PVA/GO水凝胶结晶度的影响。结果显示，碘离子的加入导致了聚合物链之间氢键的减少，从而降低了水凝胶的结晶度。进一步的FTIR测试也验证了氢键的减弱现象。此外，水凝胶在KI溶液中浸泡后的溶胀性能也得到了验证，表明水凝胶变得更加亲水。综上所述，我们的研究结果表明，碘离子的加入可以有效降低PVA/GO水凝胶的结晶度，提高其亲水性能，从而改善太阳能海水淡化性能。

图3. 水分子结构与聚合物链氢键表征。

通过力学性能测试，我们发现碘离子处理后的水凝胶（PGI）的机械性能较弱，但仍高于未处理的PVA。结构破坏离子导致的结晶度降低使得PGI具有更好的太阳能蒸发性能，而结晶度较高的PGD则表现较差。碘离子的加入降低了水凝胶的结晶度，同时提高了其太阳能蒸发性能。通过拉曼光谱测试发现，碘离子处理后的水凝胶（PGI）中中间水的含量明显增加，而自由水的含量减少，导致FW/IW比值的降低。这表明在PGI中水分子更容易被激活，蒸发所需能量更少，从而提高了蒸发速率。实验结果还显示，PGI的蒸发焓较PGD明显下降，证实了碘离子处理削弱了水凝胶的汽化焓。分子动力学模拟结果进一步证实了这一机理，显示碘离子处理后水凝胶中水分子的氢键数量减少，进一步支持了实验结果。稳定性测试表明，PGI具有良好的稳定性，适用于长期使用。

图4. 水结构对蒸发焓的影响。

三、结论

通过本研究，我们成功地提出了一种新方法，通过添加混沌离子 KI 来降低水凝胶的汽化焓，进一步提高了太阳能蒸发性能。实验结果和分子动力学模拟表明，碘离子处理后的水凝胶（PGI）中水分子的氢键减弱，外露的 -OH 分子数量增加，有助于改善蒸发性能。与传统水凝胶 PGD 相比，PGI 具有更强的降低蒸发焓的能力，可在太阳光照射下实现更高的蒸发速率。此外，本研究首次将各向同性离子纳入 SVG，为进一步研究提供了新思路。

在这项研究中，小角X射线散射（SAXS）起到了至关重要的作用。SAXS技术可以提供有关材料微观结构和形貌的信息，帮助我们理解水凝胶中水分子的排列和氢键网络的构型变化。通过SAXS分析，我们能够更深入地了解碘离子处理对水凝胶结构的影响，从而解释实验结果中观察到的性能改善现象。因此，SAXS在本研究中的应用对于揭示碘离子处理对水凝胶性能影响的机理至关重要。

MOE Key Laboratory of Low-grade Energy Utilization Technologies and Systems, CQU-NUS Renewable Energy Materials & Devices Joint Laboratory, School of Energy & Power Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China

参考文献：