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  太陽能海水蒸發(fā)是指利用太陽光加熱海水，產(chǎn)生蒸汽從而將水與鹽分離，再將水蒸氣冷凝后得到淡水的海水淡化技術(shù)。與眾多成熟的海水淡化技術(shù)不同，太陽能海水蒸發(fā)只需要太陽光作為驅(qū)動力，不需要消耗任何的其他化石能源，因而受到了人們的廣泛關(guān)注。太陽能海水蒸發(fā)的核心在于高效光熱轉(zhuǎn)換材料的制備與新型蒸發(fā)器件的開發(fā)。在先前的研究中，人們大多將光熱轉(zhuǎn)換材料制備成薄膜或泡沫，并將其漂浮在海水表面，在太陽光的照射下進(jìn)行海水蒸發(fā)。此類漂浮型蒸發(fā)器件依然面臨鹽分析出、陽光傾斜入射蒸發(fā)減弱、蒸發(fā)焓較高等三大瓶頸，限制了太陽能海水蒸發(fā)的發(fā)展。

  受向日葵的啟發(fā)，東華大學(xué)朱美芳院士、陳志鋼教授團(tuán)隊(duì)在已有懸掛蒸發(fā)裝置(Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1905485)的基礎(chǔ)上，發(fā)展了一種向光型太陽能海水蒸發(fā)裝置。該裝置的核心部件為一種多級結(jié)構(gòu)光熱轉(zhuǎn)換布，由靜電紡絲-原位硫化兩步法得到。首先通過靜電紡絲得到含銅前驅(qū)體的聚丙烯腈(PAN)納米纖維，然后通過原位硫化構(gòu)筑超薄硫化銅(CuS)納米片超結(jié)構(gòu)。PAN@CuS多級納米纖維無紡布的外觀呈現(xiàn)綠色(圖1a)，由非取向的納米纖維組成(圖1b)，納米纖維的直徑為400-500 nm (圖1c)，表面被粗糙的外層覆蓋，纖維之間存在微米級孔洞結(jié)構(gòu)。TEM圖像(圖1d)證實(shí)，納米纖維表面的粗糙外層是由超薄納米片堆積而成，納米片的厚度約為4 nm，在纖維表面直立，與纖維軸向相垂直，超薄納米片之間形成了納米級空隙。元素面掃描分布圖(圖1e)顯示，PAN@CuS納米纖維中Cu和S元素主要分布在外側(cè)，而C和N元素集中在內(nèi)側(cè)。氮?dú)馕?脫附測量實(shí)驗(yàn)(圖1f)顯示樣品在硫化后比表面積顯著提升，其表面積與表觀面積之比達(dá)到1092.19，說明1-m²的PAN@CuS無紡布樣品能夠提供1092.19 m²的表面積。熱力學(xué)分析顯示，水在PAN@CuS無紡布表面的蒸發(fā)焓降低至1956.32 kJ kg^-1。分子動力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)CuS晶體表面有大量S原子暴露在外側(cè)，產(chǎn)生界面效應(yīng)，破壞了水分子在界面處的氫鍵，從而使蒸發(fā)焓顯著下降。以上實(shí)驗(yàn)說明所得樣品為多級結(jié)構(gòu)無紡布，該樣品能夠提供大的表面積用于海水蒸發(fā)。

圖1 PAN@CuS無紡布的實(shí)物圖(a)、SEM照片(b, c)、TEM照片(d)和元素分布圖(e)；(f) 硫化前后無紡布的氮?dú)獾葴匚?脫附曲線和表面積/表觀面積之比

  進(jìn)一步地，作者將PAN@CuS無紡布與棉布結(jié)合，構(gòu)建了向光型海水蒸發(fā)模型。與傳統(tǒng)漂浮蒸發(fā)裝置(圖2a)不同，向光型蒸發(fā)模型中光熱轉(zhuǎn)換布的兩端固定在兩個(gè)高度不同的水槽內(nèi)壁，位置較高的水槽里裝滿海水(圖2b)。布的中間拉平，吸光面以一定的角度α傾斜。在毛細(xì)作用力、親水性和虹吸作用的共同作用下，海水首先會被吸到光熱轉(zhuǎn)換布上，然后沿著布由高到低流動，在蒸發(fā)的同時(shí)帶走鹽分(圖2b)。在1.0 kW m^-2模擬太陽光照射下，向光型裝置的蒸發(fā)速率達(dá)到2.27 kg m^-2 (圖2c)，蒸發(fā)效率達(dá)到90.2%。在100 h的連續(xù)蒸發(fā)測試中，向光型裝置的蒸發(fā)速率始終維持在2.23 kg m^-2 h^-1左右(α=30°，圖2d)，測試結(jié)束后其表面沒有出現(xiàn)任何固體鹽顆粒(圖2f)；而漂浮型裝置的蒸發(fā)速率則從1.81 kg m^-2 h^-1降低至0.57 kg m^-2 h^-1左右(圖2d)，測試結(jié)束后裝置表面出現(xiàn)了大量的固體鹽顆粒(圖2e)。以上實(shí)驗(yàn)證明該裝置具有高蒸發(fā)速率，同時(shí)可有效避免鹽分析出，保持長時(shí)間蒸發(fā)穩(wěn)定。

圖2 漂浮(a)與向光(b)蒸發(fā)模型示意圖；(c) 不同裝置在模擬太陽光(1.0 kW m^-2)下的蒸發(fā)質(zhì)量變化；(d) 100 h連續(xù)蒸發(fā)測試中的速率變化；測試后，漂浮(e)與向光(f)蒸發(fā)裝置表面照片 

  當(dāng)陽光傾斜照射時(shí)，傳統(tǒng)的漂浮蒸發(fā)裝置光吸收面始終保持水平(圖3a, α=0°)，所能捕獲的太陽光能量也隨之越來越低(圖3c)，對太陽能海水蒸發(fā)極為不利。向光型蒸發(fā)裝置的光吸收面可始終與太陽的入射方向保持正交(圖3b, α=θ)，維持投影面積不變(圖3c)，使得所捕獲的太陽光能量保持穩(wěn)定。在后續(xù)的蒸發(fā)測試中，當(dāng)入射角θ從-90°逐漸調(diào)整至0°，再增加到90°時(shí)，漂浮型和平掛型裝置(α=0°)均出現(xiàn)蒸發(fā)速率先升高再降低的變化(圖3d)，而向光型裝置(α=θ)的蒸發(fā)速率始終維持在2.2-2.3 kg m^-2 h^-1之間，不隨θ的變化而發(fā)生改變(圖3d)，有效解決陽光傾斜入射所導(dǎo)致的蒸發(fā)減弱的問題。

圖3 陽光傾斜入射對不同蒸發(fā)模型投影面積的影響。不同入射角照射下漂浮型(a)和向光型(b)裝置示意圖；(c) 兩種模型的歸一化投影面積與入射角度在理論上的對應(yīng)關(guān)系。(c) 漂浮、平掛和向光裝置的蒸發(fā)速率與入射角的對應(yīng)關(guān)系

  上述論文的第一作者為東華大學(xué)材料學(xué)院博士生劉子瀟，通訊作者為陳志鋼教授。東華大學(xué)朱美芳院士、張玉梅教授等為該工作的共同作者。該項(xiàng)研究得到國家自然科學(xué)基金、上海市科學(xué)技術(shù)委員、上海市教育委員會、中央高校基礎(chǔ)研究等項(xiàng)目的大力資助。

  論文信息：Zixiao Liu, Zhan Zhou, Naiyan Wu, Ruiqi Zhang, Bo Zhu, Hong Jin, Yumei Zhang, Meifang Zhu, and Zhigang Chen*. Hierarchical Photothermal Fabrics with Low Evaporation Enthalpy as Heliotropic Evaporators for Efficient, Continuous, Salt-Free Desalination. ACS Nano 2021

  DOI: 10.1021/acsnano.1c01900

  論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.1c01900 

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