四川大学陈思翀教授团队在高效太阳能水蒸发器上取得进展
太阳能界面水蒸发是实现高效低能耗海水淡化的有效途径，如何通过材料和结构设计来提高界面光热汽化效率也是目前研究的主流方向。影响太阳能蒸汽产生过程（Solar vapor generation，SVG）有四个关键因素：光热转换、热传输、水传输和水蒸发过程。目前已有大量研究针对以上这些子过程进行设计，以达到提高SVG效率的目的。但如何将这些关键因素协同整合，从而降低内部损耗，实现效率最大化，仍是一项巨大的挑战。
针对以上问题，四川大学环保型高分子材料国家地方联合工程实验室的陈思翀教授团队在已有的聚多巴胺包覆纳米纤维研究基础上，通过模板牺牲方式制备了聚多巴胺纳米管，并基于其构建了三维太阳能界面水蒸发器件（PDA-t@PU），实现了光热转换、促进水传输、降低蒸发能及提升热量管理等多功能集成，从而大幅提升SVG效率。
一方面，聚多巴胺（PDA）是一种具有亲水性和光热转换功能的生物质材料，不仅可以将可见光转换为热，还可以通过表面水合作用降低水的蒸发能；另一方面，通过模板牺牲法将聚多巴胺制备为纳米/亚微米的中空管状形貌（PDA-t），不仅可以使得器件具有良好的集热效果，减少热能向环境的流失，实现高效的热管理，还可以利用其毛细管作用有效提升器件对水的输送能力。
图1. PDA-t@PU太阳能蒸发器设计示意图
多功能集成使得PDA-t@PU器件可以在三维模式下实现高效的SVG效果。大量粘附在PU骨架上的亲水性PDA中空管可以通过毛细管作用将水快速的输送至器件的上表面，进而结合PDA的光热转换和水合作用实现高效的太阳能水蒸发。与此同时，裸露于液面以上的器件侧表面所粘附的PDA-t还可以利用水蒸发过程的吸热作用从环境中获取热量，进一步提升SVG效率。根据器件裸露在液面之上的高度不同，其表观SVG效率可高达2.5~3.6 kg m-2 h-1。
图2 (a) PDA-t@PU三维太阳能蒸发器示意图. (b) 不同液面裸露高度条件下PDA-t@PU蒸发器的水失重率. (c) PDA-t@PU蒸发器的表观SVG速率、上表面SVG速率及侧表面SVG速率. (d) PDA-t@PU蒸发器表观SVG速率与文献比较.
与此同时，他们还研究了室外光照条件下PDA-t@PU三维太阳能蒸发器的实际表现。结果表明即使在阴云较多，光照条件不好的情况下（0.2标准太阳光强度），PDA-t@PU蒸发器的表观SVG速率仍可达到1.37 kg m-2 h-1。此外，得益于优异的水输送性能，PDA-t@PU蒸发器可以长时间处理模拟海水而不发生表面盐沉积和蒸发效率下降。即使对于高盐浓度的卤水，蒸发器表面沉积的少量盐也可以在停止光照的暗室条件下重新溶解而清除。这些结果都说明PDA-t@PU蒸发器具有非常高的实际应用价值，该研究为太阳能水蒸发器的多功能集成设计和协同增效提供了新的思路。
图3 (a) PDA-t@PU蒸发器在室外的太阳能水蒸发表现 (2021年5月23日, 北京时间 9:00–19:00, 四川大学，成都). (b) PDA-t@PU蒸发器处理10 wt %氯化钠溶液过程中的表面盐沉积及暗室条件下的重新溶解. (c) PDA-t@PU蒸发器处理10 wt%氯化钠溶液的循环表现. (F) PDA-t@PU蒸发器长时间连续处理模拟海水 (3.5 wt%氯化钠) 的蒸发速率和能量利用率.
以上相关成果分别发表在Journal of Materials Chemistry A (J. Mater. Chem. A, 2021, DOI: 10.1039/d1ta03335b), Composites Part B (Compos. Part B 2020, 202 108449) 上。论文的第一作者为四川大学化学学院硕士生黄丹，通讯作者为陈思翀教授。
论文链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2021/TA/D1TA03335B
https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1359836820334983
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