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  太陽能界面水蒸發(fā)技術因成本效益高、節(jié)能環(huán)保，在海水淡化、污水凈化等領域具有廣闊的應用前景，在學術界和工業(yè)界掀起了研發(fā)熱潮。作為太陽能界面水蒸發(fā)技術的核心組件，光熱轉化材料的作用主要集中于光能吸收、水分傳輸、熱能管理和水分蒸發(fā)四個方面。在多孔基材（如海綿，紡織品等）上涂覆兼具吸光和光熱轉化能力的納米材料是目前制備光熱轉換材料的主流策略之一。盡管現有研究所報道的光熱轉換材料均實現了較高的光熱轉化效率和水蒸發(fā)速率，但仍存在如下挑戰(zhàn)：1）大部分光熱轉換材料不能夠自漂浮于水面，往往需借助泡沫等作為支撐體；2）光熱轉化材料與多孔基材的結合牢度和耐久性很少受到關注；3）在水蒸發(fā)過程中，大部分光熱轉換材料的水分傳輸速率和水分蒸發(fā)速率不可控，易造成熱量流失，降低蒸發(fā)效率；4）現存的光熱轉換材料制備工藝繁雜，成本高昂、難以規(guī)模化生產，嚴重阻礙了它們的實際應用。

  近日，東華大學紡織學院黃晨副教授課題組在先前定向導水非織造材料（ACS Sustainable Chem. Eng. 2019, 7, 19679?19685, ACS Macro Lett. 2018, 7, 1192?1197）的研究基礎上，首次將定向導水非織造材料與界面光熱轉化材料相結合，開發(fā)了一種基于多壁碳納米管（MWCNT）的定向導水非織造光熱轉化材料，制備工藝路線如圖1所示。

圖1. 定向導水非織造光熱轉化材料的制備流程示意圖

  作者分別選用了親水和疏水的聚丙烯/聚乙烯 （PP/PE）皮芯纖維，經非織造梳理成網和針刺加固工藝后，纖維在橫向和縱向上相互纏結，最終在材料厚度方向上形成了親水-疏水纖維的梯度分布（潤濕梯度），從而賦予材料定向導水功能。而后，選用了羧基化的MWCNT作為吸光劑和光熱轉換劑，經噴涂和高溫“焊接”處理，增強了MWCNT在非織造材料表面的結合牢度（圖2），保障了實際應用過程中的安全性和光熱轉化穩(wěn)定性。

圖2. 定向導水非織造光熱轉化材料的表征

  進一步地，作者論證了該非織造光熱轉化材料的定向導水特性及機制。如圖3所示，液體在材料潤濕梯度的作用下，通過其內部通孔以及親水纖維導流滲透至另一面，同時當液體穿透到達親水面時快速擴散，進一步加快了液體從疏水面到親水面的滲透效果。而當親水面朝上時，液體一旦接觸到親水面時，在親水纖維的作用下擴散到整個表面，致使無法累積足夠的高度克服疏水面的耐靜水壓，因而不會由親水面到疏水面的穿透。在太陽能水蒸發(fā)應用中，作者將該定向導水非織造材料放置于液體上時，內部潤濕梯度驅動下產生的差動毛細效應可以使得液體從疏水底面被抽吸至親水表面，水分以一定速率源源不斷地傳輸至光熱轉化表面，用于界面水蒸發(fā)。

圖3. 非織造光熱轉化材料的定向導水特性及其水蒸發(fā)示意圖

  同時，研究人員通過調節(jié)該定向導水非織造光熱轉化材料中親水纖維和疏水纖維的比例調控水分傳輸速率和水分蒸發(fā)速率的最佳匹配，有效提高了熱能的利用效率，在模擬水蒸發(fā)實驗中實現了較高的光熱轉化效率（圖4）。

圖4. 定向導水非織造光熱轉化材料的模擬水蒸發(fā)表征

  該光熱轉化材料所采用的原材料成本低廉，PP/PE纖維（市場價格約3.2 USD/kg）和MWCNT（300 USD/kg）均已商業(yè)化，盡管MWCNT的價格相對昂貴，但其使用量僅為整體材料的5.14 wt%。同時，制備該材料所涉及的方法，包括梳理、針刺和溶液涂層（以純乙醇為溶劑）均已工業(yè)化，總加工成本在0.2 USD/m²以下，而整體材料的生產成本僅約2.4 USD/m²，相比于絕大多數現有的光熱轉換材料更具成本優(yōu)勢和規(guī)模化生產的可行性。另外，由于PP（0.91 g/cm³）和PE （0.91 g/cm³）的密度均小于水，材料整體密度也比水小，保證其始終能漂浮于水面上，且保持了較高的強度、柔韌性以及優(yōu)良的應用性能（圖5）。

圖5. 定向導水非織造光熱轉化材料的室外水蒸發(fā)應用和規(guī)模生產

  綜上，作者開發(fā)了一種定向導水的光熱轉化非織造材料。其密度比水低，可永久漂浮于水面，且能夠匹配水分傳輸速率與蒸發(fā)速率，獲得更高的光熱轉化效率。以上研究成果以“Low-Cost, Unsinkable, and Highly Efficient Solar Evaporators Based on Coating MWCNTs on Nonwovens with Unidirectional Water-Transfer”為題發(fā)表在Advanced Science雜志上，論文的第一作者為東華大學紡織學院碩士研究生朱雅琴，通訊作者為江南大學李昊軒研究員、海軍軍醫(yī)大學高瑞副主任醫(yī)師和東華大學黃晨副教授。

  論文鏈接：http://doi.org/10.1002/advs.202101727