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  隨著工業(yè)化和城市化的發(fā)展，淡水資源緊缺的問題日益嚴重，已經成為了限制人類社會發(fā)展的重要因素之一。太陽能界面水氣轉換（Interfacial Solar Steam Generation，ISSG）技術作為一種新興的海水淡化和污水處理方法，利用分布廣泛、清潔的太陽能作為能源進行光熱轉換，并將太陽能轉換來的熱限制在水氣界面，大大減少了熱的損失，從而顯著提高了水蒸氣的產生效率。因此ISSG技術是一種低成本、高效、清潔的海水淡化和污水處理方法，有望緩解淡水資源短缺的壓力，近年來受到科研界和工業(yè)界的廣泛關注。其中，太陽能蒸發(fā)器中光吸收層的設計和構筑是ISSG技術的核心和關鍵，目前已經發(fā)展出基于金屬納米粒子（Nanoparticles，NPs）、氧化石墨烯、導電聚合物和Ti₃C₂-MXene的二維薄膜或三維復合材料。相比起其他光熱材料制備的光吸收層材料，以聚多巴胺（polydopamine，PDA）為光熱材料的光吸收層具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，使其在ISSG領域具有較高的應用前景，但是如何便捷地實現(xiàn)這種材料的大規(guī)模制備仍是一項挑戰(zhàn)。

  為了測試光熱棉布在ISSG應用中的工作效率，該團隊使用了一種具有二維水通道設計的太陽能蒸發(fā)器，在工作時，水體通過由水運輸介質無紡布形成的二維水通道被快速運輸至聚苯乙烯（PS）泡沫的上表面，并進一步傳輸至親水的光熱棉布處。光熱棉布吸收太陽光并轉化為熱能，將水分加熱并蒸發(fā)，產生水蒸氣。PS泡沫的低熱導率與蒸發(fā)器和水體間的非直接接觸設計，可以有效降低向下熱傳導所引起的能量損失，大大提高水蒸氣的生產效率。 

  應用上述太陽能蒸發(fā)器研究發(fā)現(xiàn)，P-Ag-P@CF在應用測試中表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，包括：

  （1）出色的光吸收和升溫效率。如圖4，由于PDA分子和AgNPs對太陽光光吸收和光熱轉換的協(xié)同增強效應，P-Ag-P@CF具有出色的太陽光吸收效率，在波段范圍300-1400nm內的平均吸光效率可達93 %以上，并且在一個太陽光輻射僅300 s后，表面溫度由15 °C迅速升溫至41.1 °C。 

  （2）突出的蒸發(fā)效果。如圖5，P-Ag-P@CF對去離子水和海水的蒸發(fā)速率分別可達1.378和1.337 kg m^?2 h^?1，相應的光熱水氣轉換效率為90.2 %和87.3 %，這與同類型的二維薄膜相比，處于領先的水平。此外，類似高效的蒸發(fā)性能同樣表現(xiàn)在對其它水資源類型的測試中，包括模擬污水、工業(yè)廢水以及乳液。 

  （3）較好的工作效率穩(wěn)定性和耐用性。如圖6，在對實際海水的連續(xù)8小時蒸發(fā)測試中，效率由87.1 %降至79.8 %，降幅僅約7 %，連續(xù)10天的耐用性測試中，平均水蒸發(fā)速率可達到1.334 kg m^?2 h^?1，相應的能量效率為87.2 %。

 

  （4）高效的抗鹽表現(xiàn)。如圖6a插圖所示，P-Ag-P@CF在連續(xù)8小時海水淡化后表面有鹽結晶的析出，但放置過夜后，正如圖7抗鹽實驗結果所示（0.5 g的氯化鈉晶體在7 h內被完全溶解），鹽結晶被溶解消失，并不影響P-Ag-P@CF在第二天中的使用。P-Ag-P@CF優(yōu)異的抗鹽表現(xiàn)主要歸功于PDA納米顆粒在CF表面的原位形成（如圖8），將適當?shù)募{米結構引入微結構已被證明是改善水運輸性能的有效方法。 

  （5）卓越的凈化效率。對海水中四種主要金屬離子Na⁺、K⁺、Mg²⁺和Ca²⁺的凈化效率超過99.9 %，對模擬工業(yè)廢水中Cu²⁺、Cr⁶⁺和Fe³⁺的凈化效率接近100 %。 

  因此本文通過浸涂法結合高溫干燥處理的方法合成可簡便大規(guī)模制備的P@CF，并引入DA為還原劑將Ag⁺吸附并還原至P@CF上構建Ag-P@CF，最后再以相同的方法構筑外層PDA層獲得P-Ag-P@CF。P-Ag-P@CF具有出色的升溫性能、突出的蒸發(fā)效果、較好的工作效率穩(wěn)定性和耐用性、高效的抗鹽表現(xiàn)、以及卓越的凈化效率，使其擁有巨大的潛力可以實現(xiàn)在ISSG技術中的廣泛應用，為社會提供高效、快速、安全的純凈水供應方案。該研究成果以A Facile Approach to Fabricate Sustainable and Large-Scale Photothermal Polydopamine-Coated Cotton Fabrics for Efficient Interfacial Solar Steam Generation為題發(fā)表在Industrial & Engineering Chemistry Research上。該論文的第一單位為華南師范大學華南先進光電子研究院，論文第一作者為2019級碩士生徐佑森，文章通訊作者為張振副研究員、唐彪研究員和于得海教授。本論文得到廣東省自然科學基金面上項目、佛山市教育局高校教師特色創(chuàng)新研究項目、廣州市基礎研究計劃基礎與應用基礎研究項目和閃思科技(ScienceK)等大力支持。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.iecr.2c03477

  下載：A Facile Approach to Fabricate Sustainable and Large-Scale Photothermal Polydopamine-Coated Cotton Fabrics for Efficient Interfacial Solar Steam Generation