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  某些地區(qū)淡水資源匱乏，嚴(yán)重制約了經(jīng)濟和社會的發(fā)展。對海水、污水等廢棄水進行處理有利于收集淡水。傳統(tǒng)的淡水收集技術(shù)需要額外的能量，具有較高的成本。太陽能是一種安全和持續(xù)的綠色能源，因此利用太陽能獲得清潔水的研究迫在眉睫。

  太陽能光熱界面水蒸發(fā)技術(shù)是近年來研究的一個熱點。然而近年來，隨著界面水蒸發(fā)系統(tǒng)光熱轉(zhuǎn)換效率的提高，在實際工作中光熱轉(zhuǎn)化效率衰減很快，特別是處理高濃鹽水或污水時。這主要是因為海水、污水種含有各種酸、堿、鹽腐蝕性材料，長時間浸泡會導(dǎo)致材料機械強度下降以及光熱材料脫落，嚴(yán)重影響蒸發(fā)效率，限制了該技術(shù)在海水淡化和污水處理方面的進一步發(fā)展。

圖1

  針對以上問題，北京化工大學(xué)高分子材料加工成型與先進制造英藍實驗室開發(fā)出一種玻璃纖維基光熱膜，用于太陽能光熱水蒸發(fā)。基材選用玻璃纖維膜，是因為其具有優(yōu)異的耐熱性、耐酸性和耐腐蝕性，然而光滑的表面很難結(jié)合光熱材料。研究人員在高溫下裂解廉價的聚乙烯，在玻璃纖維表面沉積了一層納米碳涂層，這是一種碳/二氧化硅（CS）雙層同軸結(jié)構(gòu)，并且玻璃纖維膜的整個纖維均生長出了這種碳涂層。隨后在碳膜表面繼續(xù)涂敷多巴胺來調(diào)節(jié)親水性，這時纖維變成了多巴胺/碳/二氧化硅（PCS）三層同軸結(jié)構(gòu)。隨后將制備的PCS光熱膜進行了水蒸發(fā)的實驗測試（圖1）。結(jié)果表明，該光熱膜在一個光照強度下具有1.39 Kg/m²h的蒸發(fā)效率和80.4%的能量轉(zhuǎn)化效率，同時在20次循環(huán)下保持了良好的水蒸發(fā)性能。

圖2

  制備PCS膜的具體工藝流程為：將玻璃纖維膜為基材，聚乙烯為碳源，放置在兩個不同的瓷舟中，并且這兩個瓷舟并排放置在管式多流爐中。以10℃/min的速率將管加熱至900℃，然后在氬氣氣氛中以25℃/min的速率冷卻至室溫。獲得了CS膜。接下來，將CS膜完全浸入2.0 g/L多巴胺溶液（pH值8.5）中1h，隨后在真空烘箱中于40℃干燥以除去多余的多巴胺液，就制備出了PCS三層同軸纖維膜（圖2）。

圖3：（a，b）GF膜（c、d、e、f）CS膜、（g、h）PCS膜的掃描電鏡圖像

  由掃描電鏡圖可以看出：原始GF膜由直徑為200 nm至2μm的玻璃纖維制成，無任何粘合劑（圖3a和b）。與玻璃纖維表面光滑的管狀結(jié)構(gòu)相比，CS纖維表面有粗糙的碳涂層（圖3c和d）。這一結(jié)果也為碳化后聚乙烯在玻璃纖維表面成功轉(zhuǎn)化為碳層提供了證據(jù)（圖3e和f）。多巴胺分布在最外層，用于調(diào)節(jié)水體到光熱膜表明的水分輸送（圖3g和h）。同時PCS膜粗糙的表明結(jié)構(gòu)有助于捕捉光子，增強太陽能的吸收。

圖4

  PCS膜具有較強的光吸收特性是實現(xiàn)高太陽能熱轉(zhuǎn)換效率的前提。與GF膜的高反射（>80%）和低吸收相比，CS和PCS膜在400–2500 nm的波長范圍內(nèi)具有非常高的光吸收和非常低的反射（<10%）值，這是一個間接的證據(jù)，因為碳涂層的存在，光主要被碳層吸收。在400-2500nm的波長范圍內(nèi)，PCS和CS膜的光吸收和反射值相似。（圖4a和b）。同時，PCS膜、CS膜、GF膜和純水在在光照15分鐘后溫度分別上升了23.5℃、23.6℃、14.4℃和8.8℃，這也說明了碳涂層的存在調(diào)高了玻璃纖維膜的光熱轉(zhuǎn)化性能（圖5）。

圖5

圖6

  PCS膜具有最高的水蒸發(fā)效率和最高的能量轉(zhuǎn)化效率，除了納米碳涂層作為光熱材料高效吸收太陽光外，多巴胺作為一種和親水材料，有效改善了碳膜的親水性（圖6a、b）。同時PCS膜具有良好的循環(huán)耐久性，在20個循環(huán)實驗下保持穩(wěn)定的蒸發(fā)效率（圖6c）。

  這一成果的取得也得益于英藍團隊之前的積累和對前人工作的學(xué)習(xí)借鑒。該研究團隊早先通過靜電紡絲技術(shù)，將中華墨納米顆粒加載到聚乳酸中，實現(xiàn)了光熱膜的批量制備。另外，該團隊通過簡單、廉價、可批量制備的方法在二氧化硅玻璃和玻璃纖維絲上有效生長了穩(wěn)定的碳涂層，在許多領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用。相關(guān)工作包括：Solar Energy,2020,195,636.；Materials Letters，2019，126567.；The Journal of Physical Chemistry，2020，124，17806.

  以上研究成果以“High Efficiency Solar Membranes Structurally Designed 3Dcore-2D Shell SiO2@Amino- Carbon Hybrid Advanced Composite for Facile Steam Generation”為題發(fā)表在期刊《ACS Appl. Mater & Interfaces》上。第一作者為英藍實驗室碩士生李習(xí)標(biāo)，通訊作者為李好義老師，共同通訊為加拿大多倫多大學(xué)Mohini Sain教授。該研究得到了國家自然科學(xué)基金等相關(guān)經(jīng)費的資助。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c10461