東華大學(xué)俞建勇院士團(tuán)隊(duì)李發(fā)學(xué)/高婷婷課題組 AFM：一種成本效益高、水蒸發(fā)性能優(yōu)異且具有穩(wěn)定拒鹽能力的界面光蒸汽轉(zhuǎn)化材料
隨著工業(yè)的快速發(fā)展和人口的大量增長(zhǎng)，淡水資源短缺已成為一個(gè)日益嚴(yán)重的全球性危機(jī)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，以太陽(yáng)能為主的界面光蒸汽轉(zhuǎn)化技術(shù)被認(rèn)為是一種綠色清潔的水凈化方式，有望實(shí)現(xiàn)高效無(wú)污染的淡水資源供給。然而，界面光蒸汽轉(zhuǎn)化材料在實(shí)際應(yīng)用中一直受到表面鹽積累問(wèn)題的限制，另外復(fù)雜的制備方法和昂貴的材料也制約了界面光蒸汽轉(zhuǎn)化材料的實(shí)際應(yīng)用前景。
近日，東華大學(xué)俞建勇院士團(tuán)隊(duì)的李發(fā)學(xué)教授/高婷婷講師課題組首次通過(guò)水滴模板法（BFT）制備了一種成本效益高、水蒸發(fā)性能優(yōu)異且具有穩(wěn)定拒鹽能力的界面光蒸汽轉(zhuǎn)化材料。該工作制得的光蒸汽轉(zhuǎn)化材料為下層親水上層疏水的Janus結(jié)構(gòu)：下層為親水的棉織物，有助于水快速輸送，且具有優(yōu)異的力學(xué)性能；上層是由碳黑（CB）和聚丙乙烯丁二烯（SBS）組成的多孔CB@SBS結(jié)構(gòu)。該多孔結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）降低光的反射，增加表面光的吸收率（＞95.5%）；（2）增加水蒸氣的逸散；（3）優(yōu)異的疏水拒鹽能力。該光蒸汽轉(zhuǎn)化材料性能優(yōu)異，成本低，制備工藝簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)規(guī)；a(chǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。
圖1. CB@SBS/棉織物的制備流程和太陽(yáng)能水汽蒸發(fā)機(jī)理示意圖
利用BFT法在棉織物上形成的CB@SBS層側(cè)面和表面都具有分布均勻且相互貫通的孔洞（圖2），其成孔機(jī)理為：表面涂覆有CB@SBS混合溶液的棉織物放入高濕環(huán)境中后，混合溶液中CHCl3強(qiáng)烈的揮發(fā)性造成了CB@SBS層表面溫度的下降，引起了表面水滴的凝結(jié)，水滴的凝結(jié)會(huì)釋放熱量來(lái)補(bǔ)償揮發(fā)所吸收的熱量，從而達(dá)到平衡；如果這個(gè)過(guò)程持續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間，CB@SBS表面就會(huì)凝結(jié)足夠多的水滴，覆蓋整個(gè)表面；當(dāng)CB@SBS/棉織物從高濕環(huán)境中取出后，表面的水滴會(huì)自主揮發(fā)，形成大小不一的孔洞（圖1）。
CB@SBS的多孔結(jié)構(gòu)有利于光的吸收和水蒸氣的逸散（圖3d-g），從而使得CB@SBS/棉織物在一個(gè)太陽(yáng)光下實(shí)現(xiàn)了1.40 kg m-2 h-1的水蒸發(fā)率和93.3%的光蒸汽轉(zhuǎn)化效率（圖4）。
圖2. CB@SBS/棉織物的微觀形貌
圖3. CB@SBS/棉織物的水潤(rùn)濕性能、光吸收率、透氣透濕性和機(jī)械性能
圖4. CB@SBS/棉織物的光蒸汽轉(zhuǎn)化性能
除了多孔結(jié)構(gòu)的作用，CB@SBS/棉織物還具有上層疏水下層親水的Janus結(jié)構(gòu)（圖3a-c），能夠在鹽水處理過(guò)程中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效的水蒸發(fā)，有效解決表面鹽結(jié)晶的問(wèn)題。在一個(gè)太陽(yáng)光下，CB@SBS/棉織物在3.5% NaCl中能實(shí)現(xiàn)1.37 kg m-2 h-1的高效穩(wěn)定水蒸發(fā)和91.3%的光蒸汽轉(zhuǎn)化效率，且在15個(gè)循環(huán)周期內(nèi)表面無(wú)鹽積累。另外，該CB@SBS/棉織物不僅機(jī)械性能優(yōu)異，耐用性好（圖3h-i），而且相比于目前大多數(shù)的光蒸汽轉(zhuǎn)化材料，具有性價(jià)比高的優(yōu)勢(shì)（圖5）。
圖5. CB@SBS/棉織物的拒鹽實(shí)驗(yàn)
在戶外實(shí)驗(yàn)中，以CB@SBS/棉織物為基礎(chǔ)，搭建了一個(gè)簡(jiǎn)易的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)淡水收集裝置，該裝置在一天（8:00-16:00）的自然光照下，實(shí)現(xiàn)了6.23 kg m-2的水收集，且在連續(xù)五天內(nèi)依然保持著穩(wěn)定高效的收集水平，收集的水能夠達(dá)到人的飲用標(biāo)準(zhǔn)（圖6）。優(yōu)異的光蒸汽轉(zhuǎn)化性能、良好的機(jī)械性能、較高的性價(jià)比和簡(jiǎn)單的制備工藝使CB@SBS/棉織物具有很好的實(shí)際應(yīng)用前景。
圖6. CB@SBS/棉織物的戶外水收集數(shù)據(jù)
相關(guān)工作以“Breath-Figure Self-Assembled Low-Cost Janus Fabrics for Highly Efficient and Stable Solar Desalination”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊上（DOI: 10.1002/adfm.202113258）。論文第一作者是東華大學(xué)紡織學(xué)院博士生田焰寬，論文的通訊作者為東華大學(xué)紡織學(xué)院李發(fā)學(xué)教授和高婷婷講師。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高；究蒲谢、中國(guó)紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、上海市揚(yáng)帆計(jì)劃和上海市現(xiàn)代紡織前沿科學(xué)研究計(jì)劃的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202113258
