光诱导超亲水TiO2-SiO2复合涂层在太阳能界面蒸发脱盐中的防雾增效机制研究

针对太阳能界面蒸发脱盐(SDIWE)系统中冷凝雾化导致光传输效率下降的难题，研究人员通过溶胶-凝胶法制备了TiO2-SiO2超亲水复合涂层。系统优化组分比例后，TiO2-60%样品光照后水接触角(WCA)达2.1°，暗置30天仍保持27.8°的可逆超亲水性，400-1100nm波段透光率92.31%。该研究为光热蒸发系统提供了兼具高透光性与持久防雾性能的涂层解决方案。

　　

随着全球工业化进程加速和人口增长，淡水短缺已成为威胁75%人口的严峻挑战。太阳能驱动界面水蒸发(SDIWE)技术因其能源效率高、环境友好等优势，被视为解决淡水危机的潜在方案。然而在实际应用中，蒸发产生的水蒸气在透明集热板表面冷凝形成雾滴，导致入射光散射，严重降低系统效率——这一"雾化效应"成为制约技术发展的关键瓶颈。传统通过调节温湿度等环境参数的方法能耗高且效果有限，而现有超疏水涂层又面临制备复杂、透光率不足等问题。

针对这一挑战，研究人员创新性地将光响应型TiO₂与固有亲水性的SiO₂复合，通过溶胶-凝胶法在玻璃基板上构建超亲水防雾涂层。研究系统考察了不同TiO₂/SiO₂比例对材料性能的影响，发现TiO₂-60%样品展现出最优异的综合性能：在模拟太阳光照射下，其水接触角(WCA)可降至2.1°的超亲水状态；即使经过30天黑暗储存，WCA仅回升至27.8°，重新光照后又能迅速恢复至7.9°。更值得注意的是，该涂层在400-1100nm波段的平均透光率达92.31%，优于裸玻璃的91.58%，在108小时连续蒸发测试中始终保持光学清晰度。

关键技术方法包括：1) 采用溶胶-凝胶法制备不同比例的TiO₂-SiO₂复合溶胶；2) 通过旋涂工艺在玻璃基板上制备纳米级(159.90nm)涂层；3) 利用X射线衍射(XRD)和紫外可见光谱分析材料相结构与光学性能；4) 采用接触角测量仪定量评估涂层润湿性；5) 搭建模拟SDIWE系统进行108小时防雾性能测试。

【材料组成对TiO₂-SiO₂物相及电子结构的影响】
通过XRD分析发现，纯TiO₂样品呈现锐钛矿相特征峰，而随着SiO₂含量增加，TiO₂结晶度逐渐降低。当SiO₂含量达60%时，材料形成无定形主导结构，这种结构有利于增强表面羟基密度，从而提升亲水性。

【光诱导亲水性能与稳定性】
研究表明TiO₂的光催化作用使表面Ti⁴⁺位点转化为Ti³⁺，产生氧空位并吸附羟基，而SiO₂的掺入不仅增加了表面硅羟基数量，还通过抑制TiO₂晶粒生长维持高比表面积。二者协同作用使涂层具备快速、可逆的光响应特性。

【光学性能与防雾机制】
根据Wenzel模型，适度粗糙的微纳结构(r>1)能增大固液接触面积，使亲水表面接触角进一步降低。但研究同时发现，过高的粗糙度会导致光散射增加，因此通过精确调控SiO₂含量，在优化润湿性的同时保持了92.31%的高透光率。

该研究不仅证实了TiO₂-SiO₂复合涂层在SDIWE系统中的实用价值，更从理论上阐明了组分比例-微观结构-性能表现的构效关系。相较于需要持续紫外照射的传统TiO₂涂层，该复合材料通过SiO₂的稳定作用实现了可见光响应的长效防雾，为开发新一代智能防雾材料提供了重要参考。研究成果对提升太阳能脱盐效率、推动水资源可持续利用具有显著意义，相关技术还可拓展至光伏面板、医用光学器件等领域。