水是生命所需的基本資源，沒有水，特別是淡水，生命將不複存在。然而，淡水短缺在世界幾乎每個角落都經常發生。根據最近的研究，每年有18億至29億人遭受嚴重缺水至少4-6個月的困擾，其中5億人全年承受著水資源壓力。此外，據估計，到2050年，全球用水需求將增長19%。現在是時候開發多樣化和高性能的産水技術，特別是那些用于離網地區的分散式方法，以滿足這種不斷增長的需求。海洋表面每日淡水産量的最大化需要全天的集水技術和材料。這可以通過利用自然陽光和潮濕空氣來實現，它們可以分別驅動白天的太陽能淡化和夜間的霧氣收集。
爲此，來自重慶大學和新加坡國立大學的學者制備了兩種類型的分層多孔微針陣列結構，它們分別展示了高效的霧捕獲和光熱蒸發的優越性能。具有 Janus 潤濕性的凝膠鍛造微針陣列是在多孔平台上通過簡單且可控的自上而下微成型工藝制造的，並且通過額外的冷凍幹燥處理可以進一步輕松實現微針內的孔隙率。本文開發的微針結構顯示出高達 30.5 kg m-2 h-1 的超高霧收集率，可在夜間從水分中收集高通量水滴。在白天，由于多孔微針陣列的蒸發面積增加和光熱轉換增強，實現了 2.46 kg m-2 h-1 的太陽蒸發速率。通過結合這兩條集水路線，理想情況下，每日循環可以提供接近 200 kg m-2 的總産水量，這將爲維持未來低成本和分散式清潔水生産提供有前景的解決方案。相關文章以“High-Performance Freshwater Harvesting System by Coupling Solar Desalination and Fog Collection with Hierarchical Porous Microneedle Arrays”標題發表在Advanced Functional Materials。
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https://doi.org/10.1002/adfm.202113264
圖 1. 用微針陣列裝飾的多孔膜的制造。a）制造過程的示意圖。b) 微針陰模的光學圖像。c) 光掩模的光學圖像。d) 帶有微針陣列的多孔膜的光學顯微鏡圖像。e) 帶有微針陣列的多孔膜的橫截面光學圖像。f-i) 帶有微針陣列的多孔膜的掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像。
圖 2.微針陣列多孔膜的參數管理。a） 通過真空沉積時間控制微針的高度。b）通過使用不同的口罩調整微針間距。c） 親水、疏水、Janus膜作爲多孔基材，構建具有不同潤濕性的微針裝飾多孔膜。
圖 3.觀察霧氣收集過程並分析液滴運輸機理。a）MN-HB / HL和b）MN-HL / HB的單個微針的整個霧收集過程。具有用于霧收集的不同微針陣列。c)16×16，d)8×8的集霧效率與微針特性和膜基材的潤濕性。e）膜基質的潤濕性（間距爲1200μm，高度爲600μm）。
圖 4.MN-PSCx的水蒸發表征和光熱性能測試 a）MN-PSCx蒸發器制備過程的示意圖.b）MN-PSC1%蒸發器的光學圖像。c） MN-PSC1%的掃描電鏡圖像。d） MN-PSCx水凝膠隨時間推移的吸水率。e） 原料和PEGDA/SA/CNT水凝膠的FTIR光譜。f） MN-PSCx的紫外-可見-近紅外光譜，灰色陰影區域顯示氣團1.5全局（AM 1.5G）傾斜太陽光譜的歸一化光譜太陽輻照度密度。g） MN-PSCx蒸發器的表面溫度，以及MN-PSCx樣品在太陽照射下的時間和紅外圖像。h） 純水中水分子和MN-PSCx蒸發器水可水分子網絡示意圖。i） 純水和PEGDA / SA / CNT水凝膠中的DSC曲線。
圖 5.太陽能驅動的水蒸氣蒸發實驗，包括室內模擬和室外測試。a） 用于模擬封閉系統中太陽能驅動海水蒸發過程的MN-PSCx蒸發器的示意圖。b） 一次太陽照射下金字塔形蒸發裝置的光學圖像。産生的太陽蒸氣凝結在蒸發器的內壁上，並在底部收集。c） 金字塔形蒸發裝置外表面的紅外圖像。d） 在開放系統中，MN-PSCx在一次太陽輻射下超過1小時的水質量變化。e） MN-PSC1%長時間浸泡在鹽水中的水蒸發率。f） MN-PSC1%水凝膠的自脫鹽性能。g） 使用MN-PSC1%海水淡化前後的三種人工海水樣品的鹽度。h） 中國渤海海水蒸發前後四大離子濃度的變化。i）大型MN-PSC1%蒸發器，基于塑料瓶的水接收器以及上午7：00至下午7：00的淨化水的實際體積的照片。k）用純淨水和鹽水處理的大豆發芽比較。
本文設計並演示了用于全天淡水收獲的混合和集成微針多孔膜（MN-HB/HL 和 MN-PSCx）。具體而言，具有微針陣列的混合多孔Janus膜結合微針的拉普拉斯壓力和Janus膜的潤濕力實現了高效的霧捕獲、液滴的定向運輸和快速吸收。與傳統的網眼和織物材料相比，MN-HB/HL可實現高達≈30.5 kg m−2 h−1的霧氣收集。另一方面，MN-PSCx聚合物網絡中的親水基團降低了MN-PSCx中水蒸發的焓，多孔微針陣列結構給出的相對較高的表面積産生了≈2.46 kg m-2 h-1的蒸發速率，能效高達約91%。
通過將這兩種技術結合成一個完整的晝夜循環，其中每個周期持續6小時，估計在理想條件下，可以實現接近200 kg m-2的日産水量。此外，MN-PSCx産生的純淨水是安全清潔的，正如種子發芽實驗所證明的那樣。因此，這項工作顯示了基于水凝膠的微針陣列作爲清潔水收集的整體和可持續平台的巨大潛力，從而大大提高了日産量。（文：SSC）
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