北化大杨卫民教授团队：玻璃纤维基光热膜高效长久工作，助力太阳能海水淡化、污水处理
某些地区淡水资源匮乏，严重制约了经济和社会的发展。对海水、污水等废弃水进行处理有利于收集淡水。传统的淡水收集技术需要额外的能量，具有较高的成本。太阳能是一种安全和持续的绿色能源，因此利用太阳能获得清洁水的研究迫在眉睫。
太阳能光热界面水蒸发技术是近年来研究的一个热点。然而近年来，随着界面水蒸发系统光热转换效率的提高，在实际工作中光热转化效率衰减很快，特别是处理高浓盐水或污水时。这主要是因为海水、污水种含有各种酸、碱、盐腐蚀性材料，长时间浸泡会导致材料机械强度下降以及光热材料脱落，严重影响蒸发效率，限制了该技术在海水淡化和污水处理方面的进一步发展。
图1
针对以上问题，北京化工大学高分子材料加工成型与先进制造英蓝实验室开发出一种玻璃纤维基光热膜，用于太阳能光热水蒸发。基材选用玻璃纤维膜，是因为其具有优异的耐热性、耐酸性和耐腐蚀性，然而光滑的表面很难结合光热材料。研究人员在高温下裂解廉价的聚乙烯，在玻璃纤维表面沉积了一层纳米碳涂层，这是一种碳/二氧化硅（CS）双层同轴结构，并且玻璃纤维膜的整个纤维均生长出了这种碳涂层。随后在碳膜表面继续涂敷多巴胺来调节亲水性，这时纤维变成了多巴胺/碳/二氧化硅（PCS）三层同轴结构。随后将制备的PCS光热膜进行了水蒸发的实验测试（图1）。结果表明，该光热膜在一个光照强度下具有1.39 Kg/m2h的蒸发效率和80.4%的能量转化效率，同时在20次循环下保持了良好的水蒸发性能。
图2
制备PCS膜的具体工艺流程为：将玻璃纤维膜为基材，聚乙烯为碳源，放置在两个不同的瓷舟中，并且这两个瓷舟并排放置在管式多流炉中。以10℃/min的速率将管加热至900℃，然后在氩气气氛中以25℃/min的速率冷却至室温。获得了CS膜。接下来，将CS膜完全浸入2.0 g/L多巴胺溶液（pH值8.5）中1h，随后在真空烘箱中于40℃干燥以除去多余的多巴胺液，就制备出了PCS三层同轴纤维膜（图2）。
图3：（a，b）GF膜（c、d、e、f）CS膜、（g、h）PCS膜的扫描电镜图像
由扫描电镜图可以看出：原始GF膜由直径为200 nm至2μm的玻璃纤维制成，无任何粘合剂（图3a和b）。与玻璃纤维相比，CS纤维表面有致密的碳涂层（图3c和d）。这一结果也为碳化后聚乙烯在玻璃纤维表面裂解生长为碳层提供了证据（图3e和f）。多巴胺分布在最外层，用于调节水体到光热膜表明的水分输送（图3g和h）。同时PCS膜结构有助于捕捉光子，增强太阳能的吸收。
图4
PCS膜具有较强的光吸收特性是实现高太阳能热转换效率的前提。与GF膜的高反射（>80%）和低吸收相比，CS和PCS膜在400–2500 nm的波长范围内具有非常高的光吸收和非常低的反射（<10%）值，这是一个间接的证据，因为碳涂层的存在，光主要被碳层吸收。在400-2500nm的波长范围内，PCS和CS膜的光吸收和反射值相似。（图4a和b）。同时，PCS膜、CS膜、GF膜和纯水在在光照15分钟后温度分别上升了23.5℃、23.6℃、14.4℃和8.8℃，这也说明了碳涂层的存在调高了玻璃纤维膜的光热转化性能（图5）。
图5
图6
PCS膜具有最高的水蒸发效率和最高的能量转化效率，除了纳米碳涂层作为光热材料高效吸收太阳光外，多巴胺作为一种和亲水材料，有效改善了碳膜的亲水性（图6a、b）。同时PCS膜具有良好的循环耐久性，在20个循环实验下保持稳定的蒸发效率（图6c）。
这一成果的取得也得益于英蓝团队之前的积累和对前人工作的学习借鉴。该研究团队早先通过静电纺丝技术，将中华墨纳米颗粒加载到聚乳酸中，实现了光热膜的批量制备。另外，该团队通过简单、廉价、可批量制备的方法在二氧化硅玻璃和玻璃纤维丝上有效生长了稳定的碳涂层，在许多领域具有潜在的应用。相关工作包括：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”为题发表在期刊《ACS Appl. Mater & Interfaces》上。第一作者为英蓝实验室硕士生李习标，通讯作者为李好义老师，共同通讯为加拿大多伦多大学Mohini Sain教授。该研究得到了国家自然科学基金等相关经费的资助。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c10461
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