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東華大學(xué)俞建勇院士/李發(fā)學(xué)教授/高婷婷副教授 ACS Nano：用于大規(guī)模、低成本、高效太陽能海水淡化蒸發(fā)器的全纖維素基芯吸織物
2025-03-11  來源：高分子科技

  界面太陽能蒸汽發(fā)生（ISVG）技術(shù)被認(rèn)為是海水淡化和廢水處理的一種有前途和可持續(xù)的策略。但由于其嚴(yán)重的積鹽和長期蒸發(fā)穩(wěn)定性差，極大地限制了其實(shí)際應(yīng)用。此外，界面蒸發(fā)材料常面臨材料昂貴、制造工藝復(fù)雜以及難以大規(guī)模制備等實(shí)際應(yīng)用問題。因此開發(fā)具有高蒸發(fā)速率、易于制造和良好的耐鹽性的新型蒸發(fā)器以用于潛在的大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。


  近期，東華大學(xué)俞建勇院士團(tuán)隊(duì)：功能纖維新材料課題組李發(fā)學(xué)教授和高婷婷副教授提出了一種全纖維素基的層級芯吸織物，用于高效且穩(wěn)定的太陽能界面蒸發(fā)。該織物采用簡單的呼吸圖模板法制備，形成了分級多孔結(jié)構(gòu)和梯度潤濕性的獨(dú)特雙層結(jié)構(gòu)。上下層組成的獨(dú)特雙層多孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了快速的定向水傳輸效應(yīng)，不僅為光熱層提供了充足的水供應(yīng)，還確保了蒸發(fā)器具有長期的抗鹽能力。此外，光熱層 CB@CA 的多孔結(jié)構(gòu)有效地延長了光程，從而實(shí)現(xiàn)了有效的光捕獲和快速蒸汽逸出。因此，CB@CA/CF 蒸發(fā)器在單陽光照射下實(shí)現(xiàn)了 2.08 kg m-2 h-1 的高蒸發(fā)速率；即使在 3.5 wt% NaCl 溶液中工作 8 小時(shí)，也能保持 1.98 kg m-2 h-1 的高蒸發(fā)速率，且無鹽積累。此外，設(shè)計(jì)的浮動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)可以在真實(shí)戶外環(huán)境條件下處理印染廢水，每天可收集 8.39 kg m-2 的凈化水，表現(xiàn)出優(yōu)異的實(shí)用性。此外，制造工藝的簡單性和材料選擇的低成本使其在大規(guī)模海水淡化和廢水處理等方面具有廣闊的應(yīng)用前景（圖1）。



  該工作以“Architecting of All-Cellulose-Based Wicking Fabric for a Large-Scale, Low-Cost, and Highly Efficient Solar Desalination Evaporator ”為題在線發(fā)表在《ACS Nano》上。文章共同第一作者是東華大學(xué)碩士研究生夏峰和蘇州納米所博士后田焰寬博士，共同通訊作者為高婷婷副教授、李發(fā)學(xué)教授，東華大學(xué)為第一單位。該研究得到國家自然科學(xué)基金委的支持。


圖1. CB@CA/CF蒸發(fā)器的制造工藝和工作機(jī)理示意圖。


圖2.CB@CA/CF蒸發(fā)器的形貌結(jié)構(gòu)、化學(xué)結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。


圖3. CB@CA/CF蒸發(fā)器的光吸收、水傳輸和蒸汽滲透性。


圖4. CB@CA/CF蒸發(fā)器的界面蒸發(fā)性能及機(jī)理分析


圖5. CB@CA/CF蒸發(fā)器的拒鹽能力和蒸發(fā)穩(wěn)定性


圖6. CB@CA/CF蒸發(fā)器的實(shí)際應(yīng)用


  綜上，該工作報(bào)道了一種獨(dú)特的全纖維素基芯吸織物，用于高效和穩(wěn)定的太陽能界面蒸發(fā)。CB@CA/CF獨(dú)特的層級結(jié)構(gòu)使其具有出色的定向水傳輸性能，因此展現(xiàn)了高效的蒸發(fā)性能和出色的拒鹽能力。另外其制造過程和材料選擇的簡單性也為開發(fā)高效、穩(wěn)定且成本低的太陽能海水淡化蒸發(fā)器提供了新的思路，并為解決淡水短缺問題提供了有效途徑。


  該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于光熱界面蒸發(fā)領(lǐng)域的最新進(jìn)展之一，該團(tuán)隊(duì)聚焦紡織纖維材料的多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能化及應(yīng)用領(lǐng)域拓展等基礎(chǔ)問題，開展了一系列織物基光蒸汽轉(zhuǎn)換材料的創(chuàng)新研究，致力于通過可持續(xù)的方式實(shí)現(xiàn)海水淡化和印染廢水處理問題。在過去的兩年中，該團(tuán)隊(duì)提出通過呼吸圖案模板法（BFT）構(gòu)筑多孔光吸收層并制備了成本效益高、易于制造且具有穩(wěn)定拒鹽能力的層級光熱織物（Advanced Functional Materials 2022, 32, 2113258）；基于仿生設(shè)計(jì)理念開展了一系列靜電植絨功能織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究（Advanced Functional Materials 2024, 34, 2309470、Advanced Fiber Materials 2024, 6, 1446-1455）；并基于靜電植絨技術(shù)開發(fā)了穩(wěn)定、高效且經(jīng)濟(jì)的多級海水淡化裝用于淡水和礦物鹽的收集利用（Environmental Science & Technology 2024, 58, 7237-7682）。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c14352

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