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東華大學俞建勇院士團隊李發學/高婷婷課題組 AFM：一種成本效益高、水蒸發性能優異且具有穩定拒鹽能力的界面光蒸汽轉化材料

2022-06-17 來源：高分子科技

隨著工業的快速發展和人口的大量增長，淡水資源短缺已成為一個日益嚴重的全球性危機。為了解決這個問題，以太陽能為主的界面光蒸汽轉化技術被認為是一種綠色清潔的水凈化方式，有望實現高效無污染的淡水資源供給。然而，界面光蒸汽轉化材料在實際應用中一直受到表面鹽積累問題的限制，另外復雜的制備方法和昂貴的材料也制約了界面光蒸汽轉化材料的實際應用前景。

近日，東華大學俞建勇院士團隊的李發學教授/高婷婷講師課題組首次通過水滴模板法（BFT）制備了一種成本效益高、水蒸發性能優異且具有穩定拒鹽能力的界面光蒸汽轉化材料。該工作制得的光蒸汽轉化材料為下層親水上層疏水的Janus結構：下層為親水的棉織物，有助于水快速輸送，且具有優異的力學性能；上層是由碳黑（CB）和聚丙乙烯丁二烯（SBS）組成的多孔CB@SBS結構。該多孔結構具有以下優點：（1）降低光的反射，增加表面光的吸收率（＞95.5%）；（2）增加水蒸氣的逸散；（3）優異的疏水拒鹽能力。該光蒸汽轉化材料性能優異，成本低，制備工藝簡單，能實現規模化生產，具有很好的應用前景。

圖1. CB@SBS/棉織物的制備流程和太陽能水汽蒸發機理示意圖

利用BFT法在棉織物上形成的CB@SBS層側面和表面都具有分布均勻且相互貫通的孔洞（圖2），其成孔機理為：表面涂覆有CB@SBS混合溶液的棉織物放入高濕環境中后，混合溶液中CHCl₃強烈的揮發性造成了CB@SBS層表面溫度的下降，引起了表面水滴的凝結，水滴的凝結會釋放熱量來補償揮發所吸收的熱量，從而達到平衡；如果這個過程持續很長一段時間，CB@SBS表面就會凝結足夠多的水滴，覆蓋整個表面；當CB@SBS/棉織物從高濕環境中取出后，表面的水滴會自主揮發，形成大小不一的孔洞（圖1）。

CB@SBS的多孔結構有利于光的吸收和水蒸氣的逸散（圖3d-g），從而使得CB@SBS/棉織物在一個太陽光下實現了1.40 kg m^-2 h^-1的水蒸發率和93.3%的光蒸汽轉化效率（圖4）。

圖2. CB@SBS/棉織物的微觀形貌

圖3. CB@SBS/棉織物的水潤濕性能、光吸收率、透氣透濕性和機械性能

圖4. CB@SBS/棉織物的光蒸汽轉化性能

除了多孔結構的作用，CB@SBS/棉織物還具有上層疏水下層親水的Janus結構（圖3a-c），能夠在鹽水處理過程中實現穩定高效的水蒸發，有效解決表面鹽結晶的問題。在一個太陽光下，CB@SBS/棉織物在3.5% NaCl中能實現1.37 kg m^-2 h^-1的高效穩定水蒸發和91.3%的光蒸汽轉化效率，且在15個循環周期內表面無鹽積累。另外，該CB@SBS/棉織物不僅機械性能優異，耐用性好（圖3h-i），而且相比于目前大多數的光蒸汽轉化材料，具有性價比高的優勢（圖5）。

圖5. CB@SBS/棉織物的拒鹽實驗

在戶外實驗中，以CB@SBS/棉織物為基礎，搭建了一個簡易的太陽能驅動淡水收集裝置，該裝置在一天（8:00-16:00）的自然光照下，實現了6.23 kg m^-2的水收集，且在連續五天內依然保持著穩定高效的收集水平，收集的水能夠達到人的飲用標準（圖6）。優異的光蒸汽轉化性能、良好的機械性能、較高的性價比和簡單的制備工藝使CB@SBS/棉織物具有很好的實際應用前景。

圖6. CB@SBS/棉織物的戶外水收集數據

相關工作以“Breath-Figure Self-Assembled Low-Cost Janus Fabrics for Highly Efficient and Stable Solar Desalination”為題發表在Advanced Functional Materials期刊上（DOI: 10.1002/adfm.202113258）。論文第一作者是東華大學紡織學院博士生田焰寬，論文的通訊作者為東華大學紡織學院李發學教授和高婷婷講師。該研究得到了國家自然科學基金、中央高校基本科研基金、中國紡織工業聯合會應用基礎研究項目、上海市揚帆計劃和上海市現代紡織前沿科學研究計劃的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202113258

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（責任編輯：xu）

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