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  太陽能界面水蒸發(fā)技術(shù)因成本效益高、節(jié)能環(huán)保，在海水淡化、污水凈化等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界掀起了研發(fā)熱潮。作為太陽能界面水蒸發(fā)技術(shù)的核心組件，光熱轉(zhuǎn)化材料的作用主要集中于光能吸收、水分傳輸、熱能管理和水分蒸發(fā)四個方面。在多孔基材（如海綿，紡織品等）上涂覆兼具吸光和光熱轉(zhuǎn)化能力的納米材料是目前制備光熱轉(zhuǎn)換材料的主流策略之一。盡管現(xiàn)有研究所報道的光熱轉(zhuǎn)換材料均實現(xiàn)了較高的光熱轉(zhuǎn)化效率和水蒸發(fā)速率，但仍存在如下挑戰(zhàn)：1）大部分光熱轉(zhuǎn)換材料不能夠自漂浮于水面，往往需借助泡沫等作為支撐體；2）光熱轉(zhuǎn)化材料與多孔基材的結(jié)合牢度和耐久性很少受到關(guān)注；3）在水蒸發(fā)過程中，大部分光熱轉(zhuǎn)換材料的水分傳輸速率和水分蒸發(fā)速率不可控，易造成熱量流失，降低蒸發(fā)效率；4）現(xiàn)存的光熱轉(zhuǎn)換材料制備工藝繁雜，成本高昂、難以規(guī)�；a(chǎn)，嚴(yán)重阻礙了它們的實際應(yīng)用。

  近日，東華大學(xué)紡織學(xué)院黃晨副教授課題組在先前定向?qū)强椩觳牧希?em>ACS Sustainable Chem. Eng. 2019, 7, 19679?19685, ACS Macro Lett. 2018, 7, 1192?1197）的研究基礎(chǔ)上，首次將定向?qū)强椩觳牧吓c界面光熱轉(zhuǎn)化材料相結(jié)合，開發(fā)了一種基于多壁碳納米管（MWCNT）的定向?qū)强椩旃鉄徂D(zhuǎn)化材料，制備工藝路線如圖1所示。

圖1. 定向?qū)强椩旃鉄徂D(zhuǎn)化材料的制備流程示意圖

  作者分別選用了親水和疏水的聚丙烯/聚乙烯 （PP/PE）皮芯纖維，經(jīng)非織造梳理成網(wǎng)和針刺加固工藝后，纖維在橫向和縱向上相互纏結(jié)，最終在材料厚度方向上形成了親水-疏水纖維的梯度分布（潤濕梯度），從而賦予材料定向?qū)δ�。而后，選用了羧基化的MWCNT作為吸光劑和光熱轉(zhuǎn)換劑，經(jīng)噴涂和高溫“焊接”處理，增強(qiáng)了MWCNT在非織造材料表面的結(jié)合牢度（圖2），保障了實際應(yīng)用過程中的安全性和光熱轉(zhuǎn)化穩(wěn)定性。

圖2. 定向?qū)强椩旃鉄徂D(zhuǎn)化材料的表征

  進(jìn)一步地，作者論證了該非織造光熱轉(zhuǎn)化材料的定向?qū)匦约皺C(jī)制。如圖3所示，液體在材料潤濕梯度的作用下，通過其內(nèi)部通孔以及親水纖維導(dǎo)流滲透至另一面，同時當(dāng)液體穿透到達(dá)親水面時快速擴(kuò)散，進(jìn)一步加快了液體從疏水面到親水面的滲透效果。而當(dāng)親水面朝上時，液體一旦接觸到親水面時，在親水纖維的作用下擴(kuò)散到整個表面，致使無法累積足夠的高度克服疏水面的耐靜水壓，因而不會由親水面到疏水面的穿透。在太陽能水蒸發(fā)應(yīng)用中，作者將該定向?qū)强椩觳牧戏胖糜谝后w上時，內(nèi)部潤濕梯度驅(qū)動下產(chǎn)生的差動毛細(xì)效應(yīng)可以使得液體從疏水底面被抽吸至親水表面，水分以一定速率源源不斷地傳輸至光熱轉(zhuǎn)化表面，用于界面水蒸發(fā)。

圖3. 非織造光熱轉(zhuǎn)化材料的定向?qū)匦约捌渌舭l(fā)示意圖

  同時，研究人員通過調(diào)節(jié)該定向?qū)强椩旃鉄徂D(zhuǎn)化材料中親水纖維和疏水纖維的比例調(diào)控水分傳輸速率和水分蒸發(fā)速率的最佳匹配，有效提高了熱能的利用效率，在模擬水蒸發(fā)實驗中實現(xiàn)了較高的光熱轉(zhuǎn)化效率（圖4）。

圖4. 定向?qū)强椩旃鉄徂D(zhuǎn)化材料的模擬水蒸發(fā)表征

  該光熱轉(zhuǎn)化材料所采用的原材料成本低廉，PP/PE纖維（市場價格約3.2 USD/kg）和MWCNT（300 USD/kg）均已商業(yè)化，盡管MWCNT的價格相對昂貴，但其使用量僅為整體材料的5.14 wt%。同時，制備該材料所涉及的方法，包括梳理、針刺和溶液涂層（以純乙醇為溶劑）均已工業(yè)化，總加工成本在0.2 USD/m²以下，而整體材料的生產(chǎn)成本僅約2.4 USD/m²，相比于絕大多數(shù)現(xiàn)有的光熱轉(zhuǎn)換材料更具成本優(yōu)勢和規(guī)模化生產(chǎn)的可行性。另外，由于PP（0.91 g/cm³）和PE （0.91 g/cm³）的密度均小于水，材料整體密度也比水小，保證其始終能漂浮于水面上，且保持了較高的強(qiáng)度、柔韌性以及優(yōu)良的應(yīng)用性能（圖5）。

圖5. 定向?qū)强椩旃鉄徂D(zhuǎn)化材料的室外水蒸發(fā)應(yīng)用和規(guī)模生產(chǎn)

  綜上，作者開發(fā)了一種定向?qū)墓鉄徂D(zhuǎn)化非織造材料。其密度比水低，可永久漂浮于水面，且能夠匹配水分傳輸速率與蒸發(fā)速率，獲得更高的光熱轉(zhuǎn)化效率。以上研究成果以“Low-Cost, Unsinkable, and Highly Efficient Solar Evaporators Based on Coating MWCNTs on Nonwovens with Unidirectional Water-Transfer”為題發(fā)表在Advanced Science雜志上，論文的第一作者為東華大學(xué)紡織學(xué)院碩士研究生朱雅琴，通訊作者為江南大學(xué)李昊軒研究員、海軍軍醫(yī)大學(xué)高瑞副主任醫(yī)師和東華大學(xué)黃晨副教授。

  論文鏈接：http://doi.org/10.1002/advs.202101727