淡水資源短缺是全球面臨的最嚴峻問題之一,海水淡化被認為是解決淡水危機的最佳途徑。傳統的海水淡化技術往往需要消耗化石能源,不可避免地會造成污染,加重環境負擔。太陽能光熱海水淡化技術為解決這一問題提供了新途徑,該技術關鍵是制備光熱轉換薄膜。


目前人們開發出了一系列納米結構的光熱轉換薄膜,它們都展現了較好的蒸發性能。然而,伴隨著海水蒸發,鹽顆粒逐漸在薄膜表面析出,這不僅會使得其蒸發速率下降,而且會破壞薄膜結構。盡管可通過清洗來除去薄膜表面鹽顆粒,但是清洗過程容易損壞光熱薄膜,特別是光熱納米材料易從薄膜上脫落,導致其性能下降。


為解決這一問題,受到衣服容易被清洗、不褪色特征的激發,近日東華大學陳志鋼教授課題組嘗試將光熱納米材料封裝在納米纖維中,發展了一種新型柔性可清洗的光熱轉換布。他們以碳納米管(CNTs) 作為光熱轉換納米材料,以聚丙烯腈(PAN)作為基體,通過靜電紡絲技術成功制備了無紡布(圖1a,b)。這種無紡布由直徑約為200 nm的PAN納米纖維組成(圖1c),納米纖維中包裹有CNTs(圖1d)。


東華大學研發柔性可清洗的光熱織物應用于太陽能淡化海水


圖1 [email protected]無紡布的制備過程(a)、照片(b)和微觀形貌(c,d)。


東華大學研發柔性可清洗的光熱織物應用于太陽能淡化海水


圖2 [email protected]無紡布構筑蒸發器件的過程(a)、光照過程中無紡布表面溫度(b,c)以及模擬的溫度分布(d)


潤濕后的[email protected]無紡布具有高達90.8%的光吸收效率。將CNT含量為2% 的[email protected]無紡布包裹聚苯乙烯(PS)泡沫上,并漂浮在水面上(圖2a)。在模擬太陽光(1 kW m-2)的照射下,其平均表面溫度在200秒時迅速上升到——43°C,高于沒有PS泡沫的表面溫度(——32°C) (圖2b-d)。


為了觀察鹽顆粒析出的副作用,利用覆蓋在PS泡沫上的[email protected]無紡布蒸發高濃度模擬海水(NaCl濃度: 21 wt%)。蒸發前無紡布的表面光滑,無顆粒。在太陽光照射下,隨著蒸發的進行,薄膜表面不斷析出鹽顆粒,1小時后出現了鹽顆粒薄層,5小時后有大量鹽顆粒堆積在表面(圖3a)。鹽顆粒不僅阻礙了入射光,并且使得水蒸氣難以由膜的內部向外擴散,促使蒸發速度從第一小時的1.44 kg m-2 h-1降低到第五小時的0.65 kg m-2 h-1(圖3b),下降率達到55%。


東華大學研發柔性可清洗的光熱織物應用于太陽能淡化海水


圖3 蒸發過程[email protected]無紡布的析鹽情況(a)以及蒸發速度變化(b)


東華大學研發柔性可清洗的光熱織物應用于太陽能淡化海水


圖4 清洗后[email protected]無紡布的照片(a)和形貌(c),清洗次數對其光吸收(c)和蒸發速度(d)的影響


通過簡單的水清洗方式,可輕松除去[email protected]無紡布表面的鹽顆粒。清洗后無紡布表面光滑(圖4a),其微觀形貌(圖4b)相似于蒸發前的形貌。循環實驗發現,清洗15次后,[email protected]無紡布的光吸收沒有明顯變化(圖4c),蒸發速度保持在——1.4 kg m-2 h-1(圖4d)。這些結果表明了[email protected]無紡布具有相似于衣服的耐清洗性能和良好的光熱穩定性。因此,[email protected]無紡布具有很好的應用潛力應用于海水淡化中。相關成果以題為“Flexible and washable CNT-embedded PAN nonwoven fabrics for solar-enabled evaporation and desalination of seawater”的論文發表在ACS Applied Materials & Interfaces (2019, 11, 35005)上。東華大學陳志鋼教授和伍濱和教授為論文共同通訊作者,博士生朱波為論文第一作者。同時,該工作得到了東華大學朱美芳教授和新加坡國立大學劉小鋼教授的指導。該工作獲得國家自然科學基金、教育部創新團隊、上海市曙光計劃、東華大學勵志計劃等項目的支持。


東華大學陳志鋼教授團隊長期從事光熱轉換納米材料的研究,開發了一系列光熱納米顆粒用于腫瘤的成像和光熱治療 (Adv. Mater. 2011, 23, 3542;Adv. Mater. 2013, 25, 2095;Adv. Mater. 2016, 28, 245;Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 8231;Biomaterials. 2018, 161, 279;Nanoscale 2019, 11, 15326;Adv. Healthc. Mater. 2019, 8, 1801132),發展了多種光熱轉換織物用于海水淡化(Adv. Funct. Mater. 2019, 1905485; Desalination 2019, 462, 29),也開發了光書寫/擦除的智能變色織物(ACS Appl. Mater. Inter. 2019, 11, 13370)。


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