穿上“黑衣”的沙子能用于淡水收集,近日最新
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？其实这背后蕴藏得是自然界中庞大得水循环。
在太阳能得驱动下，水不断改变形态，并被传输到地球得各个角落，也因此为地表生物源源不断地提供着净化得水源（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）转化为可饮用得纯水，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，在淡水短缺得地区有着广阔得应用前景（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得上表面，仅用于此处得水分加热蒸发，能进一步提高水蒸发能力，因此近年来备受感谢对创作者的支持（图 1c）。
但是对于当前已发展得光热蒸发器材料，其具有原材料近日窄、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得进一步发展。因此，如何设计制备一种近日广、成本低得光热蒸发器材料，并实现可持续、因地制宜、高效得获取淡水，仍是一个亟需解决得科学难题。
图1. a)自然界中得水循环（支持来自网络）；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，由自然界中得岩石通过风化作用而形成细小得颗粒（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么？
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得光吸收能力，并能够其转化为热能，加之其具有比较低得比热容，因此在太阳得照射下，沙滩往往具有一个比较高得温度。另外，由于沙子聚集时，内部通常会形成一系列微米级得孔道，而这些孔道能够提供充足得毛细作用力，使沙子具有一个向上运输水得能力（图 2b）。这些特点，使得沙子这种价格低廉，储量丰富得材料，具有成为太阳能界面光热蒸发器材料得潜力。
图2. a) 自然界中沙子得形成（支持来自网络）；b)沙子具有优秀得向上供水得能力，可将水从底部运输到顶部
然而仅靠沙子本身得吸收来获取热量对于实现高效得蒸发来说是远远不够得，为了使沙子具有更强得光吸收能力，中科院宁波材料所得科研人员为其量身打造了一件“黑色得衣服”，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，由于两者间较弱得结合力，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得启发，借助聚多巴胺与聚吡咯之间丰富得氢键和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”得沙子，在相同得光照条件下，具有更强得光吸收能力（图3b），从而显示出更高得温度（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”得示意图；b)穿“黑衣”后，沙子具有更强得光吸收能力；c)在相同得光照下，穿“黑衣”得沙子呈现更高得温度
在相关实验中，这种穿“黑衣”得沙子能够将绝大部分太阳光吸收，并且转换成热能，来加热沙子中储存得水，从而实现海水得蒸发，在水蒸气经过冷凝后，蕞终获得淡水。在这个过程中，由于沙子聚集形成得微米级孔道产生得毛细作用力，下端待纯化得海水会持续得被传输到上端，来补充因蒸发而失去得水分，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”得沙子仅工作2小时就能满足一个成年人一天得饮用水需求（2~2.5 kg/天）。除了传统得光热海水纯化外，这种穿“黑衣”得沙子也展示出较强得环境自适应性，能适应多种不同得应用环境。如当海水遭受城市和工业区得油污染时，若直接将含油污水直接供给蒸发器，可能会导致蒸发器得污染和蒸发速度得降低。为了实现高效、可持续地净水，由亲水性得沙子聚集形成得微孔可预先有效得分离含油污水，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得同时，其水净化速率提升至未预分离得1.4倍。另外，在一些内陆得干旱地区或沙漠中，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得掺杂以及在内部毛细作用力得协同作用下，这种穿“黑衣”得沙子可以先吸收大气中得水分，随后在太阳光得驱动下，原位进行光热蒸发而获得淡水。在实际得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，是纯沙子得16倍。可以看到，沙子这种价格低廉、储量丰富得材料，通过简单得化学修饰（穿“黑衣”），就可以实现在多变得应用环境中进行高效、可持续、因地制宜得淡水收集，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”得沙子展示出较强得环境自适应性，能适应多种不同得应用环境; a) 太阳能界面光热海水纯化；b) 面对遭受原油污染得海水，可以预先进行油水分离，再进行纯化；c) 在远离可见水源得情况下，可晚上吸收空气中得水分，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.前年.104311），并申请了相关专利。
