水和能源是人类生活和工作中不可或缺的要素,随着人口增长和工业化进程加速,生活用水和工业用水都在不可逆地减少或被污染。此外随着化石能源地消耗,人类也正面临着能源危机。目前解决水资源问题的主要途径还是依赖化石能源产生的电能或热能,这进一步加重了能源危机。有效地利用太阳能这一清洁可持续的能源实现海水淡化和污水处理是当前的热门研究方向。本文基于高孔隙率、高亲水的聚丙烯酰胺冻胶,设计出能够大大提高太阳能利用率的光热蒸发器件和兼具吸附与光催化功能的除污材料。为了避免热量损失,提高光热利用率,我们设计出蘑菇状双层冻胶,其中柄部为多孔、亲水、低热导率(0.173 W-1·K-1·m-1)的聚丙烯酰胺冻胶,盘状顶端为掺杂还原氧化石墨烯的聚丙烯酰胺冻胶。由于分子内热振动,还原氧化石墨烯能够吸收太阳光光谱内90%以上的光能并产生热量,将经柄传输上来的水分转化为水蒸气。在一个太阳光强度(1 kW·m-2)的光源辐照下,器件表而温度升高至43.2℃,而主体水的温度依然与室温相当,水的蒸发速率达到1.63 kg·m-2·h-1,是不使用该器件时的3.9倍,太阳能光热产生水蒸气的效率高达89.2%。该器件在用于光热海水蒸发和污水蒸发时同样有出色的表现,此外制作方法简单,原料廉价易得,使其在海水淡化和污水处理中具有很大的潜力。处理污水中有机染料常用的方法包括吸附和光催化降解,但吸附剂和光催化剂不易回收,为此我们通过原位聚合的方法制备了负载聚吡咯/二氧化钛的聚丙烯酰胺冻胶。聚吡咯与二氧化钛复合后能够降低二氧化钛的带隙,实现可见光光催化降解染料,此外聚吡咯能够与染料分子之间形成π-π相互作用力,从而能够有效地吸附染料。本工作中,我们用复合冻胶处理50 mL、10 mg/L的甲基橙水溶液,通过紫外-可见吸收光谱检测发现,约6h即可将其中的甲基橙完全吸附至冻胶中,当利用模拟的太阳光辐照时,仅需3.5 h溶液中就检测不到甲基橙。吸附与光催化的协同作用大大提高了除去甲基橙的速率,而且吸附剂与光催化剂被集成到块状的冻胶中,方便回收。这种双功能的材料为处理污水中的有机污染物提供了新思路。