由于人口增长和环境污染，安全和充足的用水是一项全球性挑战。获取清洁用水是现代社会进一步发展的基石。太阳能海水淡化和水净化由于其高的太阳能-热能转换效率和易于在多个规模下实现，从单个家庭的紧凑型独立设备到社区的大型集中式设备，都得到了广泛的应用。然而，在自然阳光下，在低于沸点的低温下产生水蒸气通常是一个缓慢的过程。清洁水的生产效率依赖于太阳能的转换和利用效率，可从系统优化和材料创新两个方向提高。从底部加热和体积加热开始，近年来采用了界面蒸发，通过利用光热材料将热量集中在蒸发表面附近，系统地减少能量损失。设计了碳质材料，窄带隙半导体和具有不同结构的聚合物，以实现热管理和水传输。

有鉴于此，德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授等人，重点介绍了水凝胶作为太阳能淡化和水净化的高度可调材料平台的最新进展。

本文要点

1）首先介绍凝胶化学如何赋予水凝胶以所需的性质，以及从分子水平到宏观水平的多尺度可调性。然后，从减少水蒸发焓，优化热量分布和调整蒸发表面，回顾了促进有效的太阳-蒸气转换的三种主要策略。

2）首先，通过选择具有可水合官能团的聚合物主链，可以调节水凝胶中的水状态以促进中间水的生成，该中间水的蒸发焓低于整体水的蒸发焓。这种聚合物与水之间的相互作用可以在合成和后处理过程中进一步调整。其次，水凝胶中的吸光添加剂不仅能有效地将太阳能转化为热能，而且还应将热量限制在蒸发表面附近。

3）第三，由于水分子被封装在水凝胶的聚合物网络中，因此水凝胶的表面成为液态水的蒸发前沿。因此，调整水凝胶的表面形貌和润湿性对蒸发速率具有重要影响。接下来，讨论了赋予水凝胶蒸发器出色的脱盐和净化性能的关键功能，包括具有稳定和长期脱盐的抗盐垢特性，以及易于整合功能性材料以去除其他污染物（例如重金属离子和有机染料）的功能，以提高馏分质量。最后，讨论了基于水凝胶的太阳能水净化系统在基础研究和实际应用中存在的挑战和未来的机遇。

参考文献：

Youhong Guo et al. Engineering Hydrogels for Efficient Solar Desalination and Water Purification. Acc. Mater. Res., 2021.

DOI: 10.1021/accountsmr.1c00057

https://doi.org/10.1021/accountsmr.1c00057