碳纳米管增强光热转换温敏水凝胶的制备及其高效太阳能水蒸发性能研究

为解决淡水资源短缺问题，研究人员开发了一种基于羧基化碳纳米管(CNT-COOH)的光热转换温敏水凝胶。该材料在纯水和盐水中分别实现385.2 g/g和58.3 g/g的溶胀率，将水蒸发焓降至1687.3 J/g，在1 kW/m2光照下蒸发速率达2.35 kg m?2 h?1，突破理论极限，兼具优异机械性能和自清洁特性，为开发长效抗盐 hydrogel evaporators 提供新思路。

　　

全球淡水资源短缺问题日益严峻，传统海水淡化技术往往伴随着高能耗和环境负担。太阳能驱动的水蒸发技术因其零碳排放特性成为研究热点，但现有材料普遍面临光热转换效率低、盐结晶堵塞、机械强度不足等瓶颈。尤其在高盐度环境中，材料性能急剧衰减成为制约实际应用的关键难题。

天津城建大学材料科学与工程学院Dongrui Ji团队在《Reactive and Functional Polymers》发表研究，创新性地将碳纳米管(CNT)的光热转换特性与温敏水凝胶的智能响应相结合。通过系统比较羧基化(CNT-COOH)和羟基化(CNT-OH)两种功能化碳纳米管对材料性能的影响，开发出具有三重功能协同的新型复合材料：碳纳米管提供高效光热转换，温敏网络实现蒸发焓调控，三维多孔结构保障快速输水。

研究采用自由基聚合法制备复合水凝胶，通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)表征化学结构，利用扫描电镜(SEM)观察微观形貌。采用模拟太阳光源测试光热转换效率，通过称重法测定溶胀动力学和蒸发性能，并建立循环测试系统评估材料稳定性。

材料设计与表征

通过引入丙烯酰胺(AM)和N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)构建双网络结构，CNT-COOH因其更均匀的分散性和更强的界面相互作用，使水凝胶拉伸强度提升217%。SEM显示其具有贯通的多级孔道结构，孔径分布在10-200 μm，为快速水传输提供通道。

溶胀与抗盐性能

在纯水中达到385.2 g/g的惊人溶胀比，远超常规水凝胶材料。特别值得注意的是，在3.5 wt% NaCl溶液中仍保持58.3 g/g的溶胀能力，归因于CNT-COOH的负电荷基团产生的Donnan效应有效排斥盐离子。溶胀平衡时间仅约200分钟，表明其具有优异的输水动力学。

光热转换机制

CNT-COOH复合样品在模拟太阳光下3分钟内升温至68.4°C，比CNT-OH样品高11.2°C。紫外-可见-近红外光谱显示其在300-2500 nm波段具有94.7%的平均光吸收率，证实其广谱吸光特性。温敏网络在33°C附近发生亲疏水转变，显著降低蒸发所需能量。

蒸发性能突破

在标准测试条件下(1 kW/m²)，纯水和盐水蒸发速率分别达到2.35 kg m^?2 h^?1和1.71 kg m^?2 h^?1，均突破1.46 kg m^?2 h^?1的理论极限。热成像显示材料表面形成局部热点(>60°C)，而体相温度维持在35°C左右，证实其通过界面蒸发机制实现能量高效利用。

循环稳定性验证

经过30次循环测试后，蒸发性能仅衰减6.8%，且表面无可见盐结晶。XPS分析表明CNT-COOH的羧基在长期使用中保持稳定，赋予材料优异的自清洁能力。在模拟海水(含Ca²⁺/Mg²⁺)中仍维持1.53 kg m^?2 h^?1的蒸发速率，展现实际应用潜力。

该研究通过分子设计实现了三大创新：首次将温敏相变与碳纳米管光热转换协同用于蒸发焓调控；开发出具有Donnan效应增强的抗盐机制；建立界面蒸发-体相输水的分级传质模型。不仅为太阳能淡化技术提供了性能优异的新材料，其设计理念对开发其他环境响应型功能凝胶具有重要借鉴意义。特别是在气候变化加剧的背景下，这种低能耗、抗恶劣环境的淡水生产技术，为海岛、干旱地区等特殊场景的供水问题提供了切实可行的解决方案。