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  太陽(yáng)能界面水蒸發(fā)是實(shí)現(xiàn)高效低能耗海水淡化的有效途徑，如何通過(guò)材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)提高界面光熱汽化效率也是目前研究的主流方向。影響太陽(yáng)能蒸汽產(chǎn)生過(guò)程（Solar vapor generation，SVG）有四個(gè)關(guān)鍵因素：光熱轉(zhuǎn)換、熱傳輸、水傳輸和水蒸發(fā)過(guò)程。目前已有大量研究針對(duì)以上這些子過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到提高SVG效率的目的。但如何將這些關(guān)鍵因素協(xié)同整合，從而降低內(nèi)部損耗，實(shí)現(xiàn)效率最大化，仍是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。

  針對(duì)以上問(wèn)題，四川大學(xué)環(huán)保型高分子材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室的陳思翀教授團(tuán)隊(duì)在已有的聚多巴胺包覆納米纖維研究基礎(chǔ)上，通過(guò)模板犧牲方式制備了聚多巴胺納米管，并基于其構(gòu)建了三維太陽(yáng)能界面水蒸發(fā)器件（PDA-t@PU），實(shí)現(xiàn)了光熱轉(zhuǎn)換、促進(jìn)水傳輸、降低蒸發(fā)能及提升熱量管理等多功能集成，從而大幅提升SVG效率。

  一方面，聚多巴胺（PDA）是一種具有親水性和光熱轉(zhuǎn)換功能的生物質(zhì)材料，不僅可以將可見(jiàn)光轉(zhuǎn)換為熱，還可以通過(guò)表面水合作用降低水的蒸發(fā)能；另一方面，通過(guò)模板犧牲法將聚多巴胺制備為納米/亞微米的中空管狀形貌（PDA-t），不僅可以使得器件具有良好的集熱效果，減少熱能向環(huán)境的流失，實(shí)現(xiàn)高效的熱管理，還可以利用其毛細(xì)管作用有效提升器件對(duì)水的輸送能力。

圖1. PDA-t@PU太陽(yáng)能蒸發(fā)器設(shè)計(jì)示意圖

  多功能集成使得PDA-t@PU器件可以在三維模式下實(shí)現(xiàn)高效的SVG效果。大量粘附在PU骨架上的親水性PDA中空管可以通過(guò)毛細(xì)管作用將水快速的輸送至器件的上表面，進(jìn)而結(jié)合PDA的光熱轉(zhuǎn)換和水合作用實(shí)現(xiàn)高效的太陽(yáng)能水蒸發(fā)。與此同時(shí)，裸露于液面以上的器件側(cè)表面所粘附的PDA-t還可以利用水蒸發(fā)過(guò)程的吸熱作用從環(huán)境中獲取熱量，進(jìn)一步提升SVG效率。根據(jù)器件裸露在液面之上的高度不同，其表觀SVG效率可高達(dá)2.5~3.6 kg m^-2 h^-1。

圖2 (a) PDA-t@PU三維太陽(yáng)能蒸發(fā)器示意圖. (b) 不同液面裸露高度條件下PDA-t@PU蒸發(fā)器的水失重率. (c) PDA-t@PU蒸發(fā)器的表觀SVG速率、上表面SVG速率及側(cè)表面SVG速率. (d) PDA-t@PU蒸發(fā)器表觀SVG速率與文獻(xiàn)比較.

  與此同時(shí)，他們還研究了室外光照條件下PDA-t@PU三維太陽(yáng)能蒸發(fā)器的實(shí)際表現(xiàn)。結(jié)果表明即使在陰云較多，光照條件不好的情況下（0.2標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光強(qiáng)度），PDA-t@PU蒸發(fā)器的表觀SVG速率仍可達(dá)到1.37 kg m^-2 h^-1。此外，得益于優(yōu)異的水輸送性能，PDA-t@PU蒸發(fā)器可以長(zhǎng)時(shí)間處理模擬海水而不發(fā)生表面鹽沉積和蒸發(fā)效率下降。即使對(duì)于高鹽濃度的鹵水，蒸發(fā)器表面沉積的少量鹽也可以在停止光照的暗室條件下重新溶解而清除。這些結(jié)果都說(shuō)明PDA-t@PU蒸發(fā)器具有非常高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，該研究為太陽(yáng)能水蒸發(fā)器的多功能集成設(shè)計(jì)和協(xié)同增效提供了新的思路。

圖3 (a) PDA-t@PU蒸發(fā)器在室外的太陽(yáng)能水蒸發(fā)表現(xiàn) (2021年5月23日, 北京時(shí)間 9:00–19:00, 四川大學(xué)，成都). (b) PDA-t@PU蒸發(fā)器處理10 wt %氯化鈉溶液過(guò)程中的表面鹽沉積及暗室條件下的重新溶解. (c) PDA-t@PU蒸發(fā)器處理10 wt%氯化鈉溶液的循環(huán)表現(xiàn). (F) PDA-t@PU蒸發(fā)器長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)處理模擬海水 (3.5 wt%氯化鈉) 的蒸發(fā)速率和能量利用率.

  以上相關(guān)成果分別發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A (J. Mater. Chem. A, 2021, DOI: 10.1039/d1ta03335b), Composites Part B (Compos. Part B 2020, 202 108449) 上。論文的第一作者為四川大學(xué)化學(xué)學(xué)院碩士生黃丹，通訊作者為陳思翀教授。

  論文鏈接：

  https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2021/TA/D1TA03335B

  https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1359836820334983