东华大学俞建勇院士/李发学教授/高婷婷副教授 ACS Nano：用于大规模、低成本、高效太阳能海水淡化蒸发器的全纤维素基芯吸织物

2025-03-11 来源：高分子科技

界面太阳能蒸汽发生（ISVG）技术被认为是海水淡化和废水处理的一种有前途和可持续的策略。但由于其严重的积盐和长期蒸发稳定性差，极大地限制了其实际应用。此外，界面蒸发材料常面临材料昂贵、制造工艺复杂以及难以大规模制备等实际应用问题。因此开发具有高蒸发速率、易于制造和良好的耐盐性的新型蒸发器以用于潜在的大规模实际应用具有重要意义。

近期，东华大学俞建勇院士团队：功能纤维新材料课题组李发学教授和高婷婷副教授提出了一种全纤维素基的层级芯吸织物，用于高效且稳定的太阳能界面蒸发。该织物采用简单的呼吸图模板法制备，形成了分级多孔结构和梯度润湿性的独特双层结构。上下层组成的独特双层多孔结构产生了快速的定向水传输效应，不仅为光热层提供了充足的水供应，还确保了蒸发器具有长期的抗盐能力。此外，光热层 CB@CA 的多孔结构有效地延长了光程，从而实现了有效的光捕获和快速蒸汽逸出。因此，CB@CA/CF 蒸发器在单阳光照射下实现了 2.08 kg m^-2 h^-1 的高蒸发速率；即使在 3.5 wt% NaCl 溶液中工作 8 小时，也能保持 1.98 kg m^-2 h^-1 的高蒸发速率，且无盐积累。此外，设计的浮动蒸发系统可以在真实户外环境条件下处理印染废水，每天可收集 8.39 kg m^-2 的净化水，表现出优异的实用性。此外，制造工艺的简单性和材料选择的低成本使其在大规模海水淡化和废水处理等方面具有广阔的应用前景（图1）。

该工作以“Architecting of All-Cellulose-Based Wicking Fabric for a Large-Scale, Low-Cost, and Highly Efficient Solar Desalination Evaporator ”为题在线发表在《ACS Nano》上。文章共同第一作者是东华大学硕士研究生夏峰和苏州纳米所博士后田焰宽博士，共同通讯作者为高婷婷副教授、李发学教授，东华大学为第一单位。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

图1. CB@CA/CF蒸发器的制造工艺和工作机理示意图。

图2.CB@CA/CF蒸发器的形貌结构、化学结构和机械性能。

图3. CB@CA/CF蒸发器的光吸收、水传输和蒸汽渗透性。

图4. CB@CA/CF蒸发器的界面蒸发性能及机理分析

图5. CB@CA/CF蒸发器的拒盐能力和蒸发稳定性

图6. CB@CA/CF蒸发器的实际应用

综上，该工作报道了一种独特的全纤维素基芯吸织物，用于高效和稳定的太阳能界面蒸发。CB@CA/CF独特的层级结构使其具有出色的定向水传输性能，因此展现了高效的蒸发性能和出色的拒盐能力。另外其制造过程和材料选择的简单性也为开发高效、稳定且成本低的太阳能海水淡化蒸发器提供了新的思路，并为解决淡水短缺问题提供了有效途径。

该工作是团队近期关于光热界面蒸发领域的最新进展之一，该团队聚焦纺织纤维材料的多尺度结构设计、功能化及应用领域拓展等基础问题，开展了一系列织物基光蒸汽转换材料的创新研究，致力于通过可持续的方式实现海水淡化和印染废水处理问题。在过去的两年中，该团队提出通过呼吸图案模板法（BFT）构筑多孔光吸收层并制备了成本效益高、易于制造且具有稳定拒盐能力的层级光热织物（Advanced Functional Materials 2022, 32, 2113258）；基于仿生设计理念开展了一系列静电植绒功能织物的结构设计和应用研究（Advanced Functional Materials 2024, 34, 2309470、Advanced Fiber Materials 2024, 6, 1446-1455）；并基于静电植绒技术开发了稳定、高效且经济的多级海水淡化装用于淡水和矿物盐的收集利用（Environmental Science & Technology 2024, 58, 7237-7682）。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c14352

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（责任编辑：xu）

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