近年來，關于太陽能光熱海水淡化的研究多集中于器件的結(jié)構(gòu)設計，而新型光熱材料方面的研究進展則較為緩慢。我們認為新型多功能低成本光熱材料的開發(fā)設計對于該技術的應用同樣具有重要意義。在開發(fā)設計新型材料方面，我們的思路是該材料需具備以下幾點性能：

1.制備過程要簡單溫和，盡量避免使用特殊設備，使其容易大規(guī)模制備；

2.材料成本一定要低；

3.材料要有較好的光吸收和光熱性能；

4.材料具備較好的穩(wěn)定性，可適用于多種環(huán)境；

5.材料最好具有較好的普適性，并且兼容各種結(jié)構(gòu)設計，為進一步提高其性能提供良好的平臺；

6.材料最好具有一定的多功能性。目前所報道的材料很難同時滿足以上要求，這就需要考慮從新的角度去解決這個問題。

我們一直以來都在從事基于貽貝仿生表/界面涂層的設計開發(fā)，我們就在思考，能否從涂層的角度出發(fā)來解決上述問題。我們前期開發(fā)了TA-APTES涂層，該涂層具有良好的普適性，可對具有不同形貌的多種材料進行表界面改性，同時該涂層制備過程極其簡單，且成本很低。如果可以將該涂層轉(zhuǎn)變?yōu)楣鉄岵牧希瑒t可以很好的滿足上述要求。

因此，我們做了一系列嘗試，最終發(fā)現(xiàn)經(jīng)過簡單的三價鐵離子處理，該涂層即可變?yōu)楹谏鉄岵牧希瑫r，三價鐵離子處理還可以大幅提高該涂層的酸堿穩(wěn)定性和賦予材料持久的超親水性，可謂一舉三得。這一具有諸多優(yōu)點的新型涂層將為光熱材料的設計開發(fā)提供全新思路，并將極大的促進該領域的發(fā)展。

1.太陽能蒸發(fā)技術的研究現(xiàn)狀

飲用水短缺是全球最重要的挑戰(zhàn)之一。近來，基于空氣/水界面處的太陽能光熱海水淡化/水凈化技術引起了學術界和工業(yè)界的關注。與傳統(tǒng)的太陽能蒸發(fā)技術通過加熱一整塊水來獲得蒸汽不同，這項新技術將熱量集中鎖定在氣/液界面，從而可以最大程度地減少熱損失，并快速的將水變?yōu)樗魵猓瑥亩蠓岣哒羝a(chǎn)生的效率。盡管尚未在大型工廠實施應用，但預計基于光熱材料的太陽能海水淡化/水凈化技術將成為生產(chǎn)清潔水和減少廢水量的經(jīng)濟且可持續(xù)的技術。

2.光熱材料的研發(fā)進展

到目前為止，已開發(fā)出各種光熱材料來產(chǎn)生蒸汽，例如等離子體粒子，半導體，碳質(zhì)材料。作者已經(jīng)開發(fā)了一種基于柔性卟啉有機骨架（POF）的界面工程方法來生產(chǎn)光熱材料，并且該策略可用于包括膜，織物，海綿和木材在內(nèi)的各種材料。

此外，作者還制備了低成本的單寧酸-鐵復合涂層，以制備用于太陽能蒸汽發(fā)電的光熱材料。盡管在過去兩年中取得了重大進展，但挑戰(zhàn)仍然存在：在某些情況下，成本高（例如貴金屬），復雜的處理（例如高溫加熱，多步合成，或等離子處理）或用于制備光熱的專用設備阻礙了其工業(yè)應用。此外，對于水源被有機化合物（例如油）污染的問題，常用的碳化策略通常會剝奪光熱基質(zhì)的超親水性，使其易于被水中油滴污染堵塞材料內(nèi)部的水輸送通道，進而大幅降低產(chǎn)水速率。因此，仍然需要開發(fā)新材料以克服上述問題。

圖1.圖片概要

基于以上現(xiàn)狀，李越湘教授和王振興博士等在國際知名期刊Nano Energy上發(fā)表題為“Versatile coating with multifunctional performance for solar steam generation”的論文。王振興博士和韓明才為本文共同第一作者。

在這項工作中，作者開發(fā)了一種新型材料，單寧酸@氨基丙基三乙氧基硅烷@Fe3+（TA@APTES@Fe3+），在效率，成本，可擴展性，穩(wěn)定性和適應性方面均表現(xiàn)出令人鼓舞的性能。TA@APTES@Fe3+與以前報道的材料（例如，碳質(zhì)材料，等離子體金屬，聚吡咯和半導體）不同，并且具有幾個明顯的優(yōu)點：

（a）方法簡單

該制造過程容易且溫和，可以在室溫下水溶液中實現(xiàn)，無需高溫、高壓、有毒的有機溶劑或復雜的設備。

（b）成本低廉

用于制備TA@APTES@Fe3+的試劑價格低廉，易于獲得。材料成本僅為1.6美元/平方米，低于其他報告的材料。

（c）普適性和穩(wěn)定性好

TA@APTES@Fe3+可以牢固地粘附在具有各種形狀和表面化學性質(zhì)的基材（棉，濾紙，木材，PU海綿，甚至是化學惰性和高度疏水的PVDF膜）的表/界面上，具有良好的酸堿穩(wěn)定性，并可承受水沖洗處理（3000r/min96h），循環(huán)凍融測試（?18°C?30°C，90次），這是其他已報道的涂層（例如炭黑）難以實現(xiàn)的。

（d）良好的抗原油黏附性

TA@APTES@Fe3+具有穩(wěn)定的超親水性和水下超疏油性，可賦予基材抗油和其他有機物污染的能力。

（e）強的光吸收

基于上述優(yōu)點，該涂層可以將多種不同基材轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝У墓鉄岵牧希⒂糜谔柲芎ＫＲ越?jīng)過結(jié)構(gòu)設計的楊木為例，楊木其經(jīng)過TA@APTES@Fe3+處理后，水蒸發(fā)速率達到約1.8kgm-2h-1（一個太陽光照強度下）。這一技術有望與目前的3D打印技術相結(jié)合，通過3D打印技術制備具有優(yōu)化結(jié)構(gòu)的基材，之后利用該涂層轉(zhuǎn)換為光熱材料，將有望大幅提高太陽能海水淡化效率，極大的促進這一領域的發(fā)展。