东华大学朱美芳院士、陈志钢教授团队ACS Nano：多级结构PAN@CuS光热转换布助力向光型海水蒸发

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太阳能海水蒸发是指利用太阳光加热海水，产生蒸汽从而将水与盐分离，再将水蒸气冷凝后得到淡水的海水淡化技术。与众多成熟的海水淡化技术不同，太阳能海水蒸发只需要太阳光作为驱动力，不需要消耗任何的其他化石能源，因而受到了人们的广泛关注。太阳能海水蒸发的核心在于高效光热转换材料的制备与新型蒸发器件的开发。在先前的研究中，人们大多将光热转换材料制备成薄膜或泡沫，并将其漂浮在海水表面，在太阳光的照射下进行海水蒸发。此类漂浮型蒸发器件依然面临盐分析出、阳光倾斜入射蒸发减弱、蒸发焓较高等三大瓶颈，限制了太阳能海水蒸发的发展。

受向日葵的启发，东华大学朱美芳院士、陈志钢教授团队在已有悬挂蒸发装置(Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1905485)的基础上，发展了一种向光型太阳能海水蒸发装置。该装置的核心部件为一种多级结构光热转换布，由静电纺丝-原位硫化两步法得到。首先通过静电纺丝得到含铜前驱体的聚丙烯腈(PAN)纳米纤维，然后通过原位硫化构筑超薄硫化铜(CuS)纳米片超结构。PAN@CuS多级纳米纤维无纺布的外观呈现绿色(图1a)，由非取向的纳米纤维组成(图1b)，纳米纤维的直径为400-500 nm (图1c)，表面被粗糙的外层覆盖，纤维之间存在微米级孔洞结构。TEM图像(图1d)证实，纳米纤维表面的粗糙外层是由超薄纳米片堆积而成，纳米片的厚度约为4 nm，在纤维表面直立，与纤维轴向相垂直，超薄纳米片之间形成了纳米级空隙。元素面扫描分布图(图1e)显示，PAN@CuS纳米纤维中Cu和S元素主要分布在外侧，而C和N元素集中在内侧。氮气吸附-脱附测量实验(图1f)显示样品在硫化后比表面积显著提升，其表面积与表观面积之比达到1092.19，说明1-m²的PAN@CuS无纺布样品能够提供1092.19 m²的表面积。热力学分析显示，水在PAN@CuS无纺布表面的蒸发焓降低至1956.32 kJ kg^-1。分子动力学模拟发现CuS晶体表面有大量S原子暴露在外侧，产生界面效应，破坏了水分子在界面处的氢键，从而使蒸发焓显著下降。以上实验说明所得样品为多级结构无纺布，该样品能够提供大的表面积用于海水蒸发。

图1 PAN@CuS无纺布的实物图(a)、SEM照片(b, c)、TEM照片(d)和元素分布图(e)；(f) 硫化前后无纺布的氮气等温吸附-脱附曲线和表面积/表观面积之比

进一步地，作者将PAN@CuS无纺布与棉布结合，构建了向光型海水蒸发模型。与传统漂浮蒸发装置(图2a)不同，向光型蒸发模型中光热转换布的两端固定在两个高度不同的水槽内壁，位置较高的水槽里装满海水(图2b)。布的中间拉平，吸光面以一定的角度α倾斜。在毛细作用力、亲水性和虹吸作用的共同作用下，海水首先会被吸到光热转换布上，然后沿着布由高到低流动，在蒸发的同时带走盐分(图2b)。在1.0 kW m^-2模拟太阳光照射下，向光型装置的蒸发速率达到2.27 kg m^-2 (图2c)，蒸发效率达到90.2%。在100 h的连续蒸发测试中，向光型装置的蒸发速率始终维持在2.23 kg m^-2 h^-1左右(α=30°，图2d)，测试结束后其表面没有出现任何固体盐颗粒(图2f)；而漂浮型装置的蒸发速率则从1.81 kg m^-2 h^-1降低至0.57 kg m^-2 h^-1左右(图2d)，测试结束后装置表面出现了大量的固体盐颗粒(图2e)。以上实验证明该装置具有高蒸发速率，同时可有效避免盐分析出，保持长时间蒸发稳定。

图2 漂浮(a)与向光(b)蒸发模型示意图；(c) 不同装置在模拟太阳光(1.0 kW m^-2)下的蒸发质量变化；(d) 100 h连续蒸发测试中的速率变化；测试后，漂浮(e)与向光(f)蒸发装置表面照片 

当阳光倾斜照射时，传统的漂浮蒸发装置光吸收面始终保持水平(图3a, α=0°)，所能捕获的太阳光能量也随之越来越低(图3c)，对太阳能海水蒸发极为不利。向光型蒸发装置的光吸收面可始终与太阳的入射方向保持正交(图3b, α=θ)，维持投影面积不变(图3c)，使得所捕获的太阳光能量保持稳定。在后续的蒸发测试中，当入射角θ从-90°逐渐调整至0°，再增加到90°时，漂浮型和平挂型装置(α=0°)均出现蒸发速率先升高再降低的变化(图3d)，而向光型装置(α=θ)的蒸发速率始终维持在2.2-2.3 kg m^-2 h^-1之间，不随θ的变化而发生改变(图3d)，有效解决阳光倾斜入射所导致的蒸发减弱的问题。

图3 阳光倾斜入射对不同蒸发模型投影面积的影响。不同入射角照射下漂浮型(a)和向光型(b)装置示意图；(c) 两种模型的归一化投影面积与入射角度在理论上的对应关系。(c) 漂浮、平挂和向光装置的蒸发速率与入射角的对应关系

上述论文的第一作者为东华大学材料学院博士生刘子潇，通讯作者为陈志钢教授。东华大学朱美芳院士、张玉梅教授等为该工作的共同作者。该项研究得到国家自然科学基金、上海市科学技术委员、上海市教育委员会、中央高校基础研究等项目的大力资助。

论文信息：Zixiao Liu, Zhan Zhou, Naiyan Wu, Ruiqi Zhang, Bo Zhu, Hong Jin, Yumei Zhang, Meifang Zhu, and Zhigang Chen*. Hierarchical Photothermal Fabrics with Low Evaporation Enthalpy as Heliotropic Evaporators for Efficient, Continuous, Salt-Free Desalination. ACS Nano 2021

DOI: 10.1021/acsnano.1c01900

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.1c01900 

课题组网站：

https://pilab.dhu.edu.cn/zgchen/main.psp 

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