柔性可清洗的光热织物用于太阳能淡化海水
作者：wen 来源：本站 日期：2021/5/15 14:09:48 人气：47
淡水资源短缺是全球面临的最严峻问题之一，海水淡化被认为是解决淡水危机的最佳途径。传统的海水淡化技术往往需要消耗化石能源，不可避免地会造成污染，加重环境负担。太阳能光热海水淡化技术为解决这一问题提供了新途径，该技术关键是制备光热转换薄膜。目前人们开发出了一系列纳米结构的光热转换薄膜，它们都展现了较好的蒸发性能。然而，伴随着海水蒸发，盐颗粒逐渐在薄膜表面析出，这不仅会使得其蒸发速率下降，而且会破坏薄膜结构。尽管可通过清洗来除去薄膜表面盐颗粒，但是清洗过程容易损坏光热薄膜，特别是光热纳米材料易从薄膜上脱落，导致其性能下降。
为解决这一问题，受到衣服容易被清洗、不褪色特征的激发，近日东华大学纤维材料改性国家重点实验室陈志钢教授课题组尝试将光热纳米材料封装在纳米纤维中，发展了一种新型柔性可清洗的光热转换布。他们以碳纳米管(CNTs) 作为光热转换纳米材料，以聚丙烯腈(PAN)作为基体，通过静电纺丝技术成功制备了无纺布(图1a,b)。这种无纺布由直径约为200nm的PAN纳米纤维组成(图1c)，纳米纤维中包裹有CNTs(图1d)。
图1 CNT@PAN无纺布的制备过程(a)、照片(b)和微观形貌(c,d)。
图2 CNT@PAN无纺布构筑蒸发器件的过程(a)、光照过程中无纺布表面温度(b,c)以及模拟的温度分布(d)
润湿后的CNT@PAN无纺布具有高达90.8%的光吸收效率。将CNT含量为2%CNT@PAN无纺布包裹聚苯乙烯(PS)泡沫上，并漂浮在水面上(图2a)。在模拟太阳光(1kW m-2)的照射下，其平均表面温度在200秒时迅速上升到~43°C，高于没有PS泡沫的表面温度(~32°C) (图2b-d)。 为了观察盐颗粒析出的副作用，利用覆盖在PS泡沫上的CNT@PAN无纺布蒸发高浓度模拟海水(NaCl浓度: 21 wt%)。蒸发前无纺布的表面光滑，无颗粒。在太阳光照射下，随着蒸发的进行，薄膜表面不断析出盐颗粒，1小时后出现了盐颗粒薄层，5小时后有大量盐颗粒堆积在表面(图3a)。盐颗粒不仅阻碍了入射光，并且使得水蒸气难以由膜的内部向外扩散，促使蒸发速度从第一小时的1.44 kg m-2 h-1降低到第五小时的0.65 kg m-2 h-1(图3b)，下降率达55%。
图3 蒸发过程CNT@PAN无纺布的析盐情况(a)以及蒸发速度变化(b)
图4 清洗后CNT@PAN无纺布的照片(a)和形貌(c)，清洗次数对其光吸收(c)和蒸发速度(d)的影响
通过简单的水清洗方式，可轻松除去CNT@PAN无纺布表面的盐颗粒。清洗后无纺布表面光滑(图4a)，其微观形貌(图4b)相似于蒸发前的形貌。循环实验发现，清洗15次后，CNT@PAN无纺布的光吸收没有明显变化(图4c)，蒸发速度保持在~1.4 kg m-2 h-1(图4d)。这些结果表明了CNT@PAN无纺布具有相似于衣服的耐清洗性能和良好的光热稳定性。因此，CNT@PAN无纺布具有很好的应用潜力应用于海水淡化中。相关成果以题为“Flexible and washable CNT-embedded PAN nonwoven fabrics for solar-enabled evaporation and desalination of seawater”的论文发表在ACS Applied Materials & Interfaces (2019, 11, 35005)上。我室陈志钢教授和伍滨和教授为论文共同通讯作者，博士生朱波为论文第一作者。同时，该工作得到了我室朱美芳教授和新加坡国立大学刘小钢教授的指导。该工作获得国家自然科学基金、教育部创新团队、上海市曙光计划、东华大学励志计划等项目的支持。 陈志钢教授团队长期从事光热转换纳米材料的研究，开发了一系列光热纳米颗粒用于肿瘤的成像和光热治疗 (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)，发展了多种光热转换织物用于海水淡化(Adv. Funct. Mater. 2019, 1905485; Desalination 2019, 462, 29)，也开发了光书写/擦除的智能变色织物(ACS Appl. Mater. Inter. 2019, 11, 13370)。