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东华大学俞建勇院士团队李发学/高婷婷课题组 AFM:一种成本效益高、水蒸发性能优异且具有稳定拒盐能力的界面光蒸汽转化材料
2022-06-17  来源:高分子科技

  随着工业的快速发展和人口的大量增长,淡水资源短缺已成为一个日益严重的全球性危机。为了解决这个问题,以太阳能为主的界面光蒸汽转化技术被认为是一种绿色清洁的水净化方式,有望实现高效无污染的淡水资源供给。然而,界面光蒸汽转化材料在实际应用中一直受到表面盐积累问题的限制,另外复杂的制备方法和昂贵的材料也制约了界面光蒸汽转化材料的实际应用前景。


  近日,东华大学俞建勇院士团队的李发学教授/高婷婷讲师课题组首次通过水滴模板法(BFT)制备了一种成本效益高、水蒸发性能优异且具有稳定拒盐能力的界面光蒸汽转化材料。该工作制得的光蒸汽转化材料为下层亲水上层疏水的Janus结构:下层为亲水的棉织物,有助于水快速输送,且具有优异的力学性能;上层是由碳黑(CB)和聚丙乙烯丁二烯(SBS)组成的多孔CB@SBS结构。该多孔结构具有以下优点:(1)降低光的反射,增加表面光的吸收率(>95.5%);(2)增加水蒸气的逸散;(3)优异的疏水拒盐能力。该光蒸汽转化材料性能优异,成本低,制备工艺简单,能实现规模化生产,具有很好的应用前景。
 

1. CB@SBS/棉织物的制备流程和太阳能水汽蒸发机理示意图

  利用BFT法在棉织物上形成的CB@SBS层侧面和表面都具有分布均匀且相互贯通的孔洞(2),其成孔机理为:表面涂覆有CB@SBS混合溶液的棉织物放入高湿环境中后,混合溶液中CHCl3强烈的挥发性造成了CB@SBS层表面温度的下降,引起了表面水滴的凝结,水滴的凝结会释放热量来补偿挥发所吸收的热量,从而达到平衡;如果这个过程持续很长一段时间,CB@SBS表面就会凝结足够多的水滴,覆盖整个表面;当CB@SBS/棉织物从高湿环境中取出后,表面的水滴会自主挥发,形成大小不一的孔洞(1)。


  CB@SBS的多孔结构有利于光的吸收和水蒸气的逸散(3d-g),从而使得CB@SBS/棉织物在一个太阳光下实现了1.40 kg m-2 h-1的水蒸发率和93.3%的光蒸汽转化效率(4)。 


2. CB@SBS/棉织物的微观形貌

 3. CB@SBS/棉织物的水润湿性能、光吸收率、透气透湿性和机械性能


 4. CB@SBS/棉织物的光蒸汽转化性能


  除了多孔结构的作用,CB@SBS/棉织物具有上层疏水下层亲水的Janus结构(3a-c),能够在盐水处理过程中实现稳定高效的水蒸发,有效解决表面盐结晶的问题。在一个太阳光下CB@SBS/棉织物3.5% NaCl能实现1.37 kg m-2 h-1的高效稳定水蒸发和91.3%的光蒸汽转化效率,且在15个循环周期内表面无盐积累。另外,该CB@SBS/棉织物不仅机械性能优异,耐用性好(3h-i),而且相比于目前大多数的光蒸汽转化材料,具有性价比高的优势(5)。


 5. CB@SBS/棉织物的拒盐实验


  在户外实验中,以CB@SBS/棉织物为基础,搭建了一个简易的太阳能驱动淡水收集装置,该装置在一天(8:00-16:00)的自然光照下,实现了6.23 kg m-2的水收集,且在连续五天内依然保持着稳定高效的收集水平,收集的水能够达到人的饮用标准(6)。优异的光蒸汽转化性能、良好的机械性能、较高的性价比和简单的制备工艺使CB@SBS/棉织物具有很好的实际应用前景 


6. CB@SBS/棉织物的户外水收集数据 


  相关工作以Breath-Figure Self-Assembled Low-Cost Janus Fabrics for Highly Efficient and Stable Solar Desalination”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上(DOI: 10.1002/adfm.202113258)。论文第一作者是东华大学纺织学院博士生田焰宽,论文的通讯作者为东华大学纺织学院李发学教授高婷婷讲师。该研究得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研基金、中国纺织工业联合会应用基础研究项目、上海市扬帆计划和上海市现代纺织前沿科学研究计划的资助。


  原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202113258

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(责任编辑:xu)
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