清华大学Jinquan Wei课题组《Carbon》：一种全碳纳米管杂化膜，缓解水资源问题！

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缺水是我们当今时代面临的重大挑战之一。三分之一的世界人口生活在水资源紧张的地区。近年来，我们在海水淡化和污水净化方面做出巨大的努力。太阳能蒸汽发电（SSG）具有可持续性和节能特性，是海水淡化和污水净化的最重要过程之一。然而，由于通用SSG需要将散装液体加热至高温，因此效率低下。通过局部加热具有先进结构的水，SSG的效率显著提高到约80％。此外，等离子纳米颗粒，有机聚合物和碳基材料用作收集太阳能的集热材料。通过使用这些先进的材料，蒸汽蒸发速率达到1–1.3 kg m^-2 h^-1，而在一个光照强度照射下，太阳的热效率达到70–85％，具体取决于集热材料的材料和结构。在这些材料中，碳基纳米材料具有比其他集热材料更好的特性，例如高光吸收，多孔结构，高稳定性，低成本等。然而，通常需要对碳基材料进行处理以产生一些独特的多孔结构或修改它们的表面特性。

近日，清华大学Jinquan Wei课题组研究人员通过使用亲水性单壁碳纳米管（SWCNT）膜作为过滤器，并在乙醇中分散多壁碳纳米管（MWCNT）粉末作为溶液，通过简便的真空过滤方法制备全碳纳米管（CNT）杂化膜。相关工作以“Ultra-black andself-cleaning all carbon nanotube hybrid films for efficient water desalinationand purification”为题发表在国际著名期刊《Carbon》上。

亲水SWCNT膜为水提供了渗透通道，而超疏水MWCNT具有自清洁、自扩散和宽吸收的能力。该杂化膜具有超高的太阳能吸收率（约99％），低导热率和出色的光热转换能力。复合膜的温度在空气中1个太阳光照强度下，在1 s内从24°C升高到60°C。光照1小时后，单个混合膜表现出1.37 kg m^-2 h^-1的高水蒸发速率，太阳能热效率为87.4％。当许多混合膜自组装成大膜（约40 cm²）时，太阳能热效率保持在约80％。这种杂化膜在海水淡化和污水处理方面具有巨大潜力。仅通过一种蒸馏处理，海水中的离子浓度就会显著降低至饮用水标准。通过在太阳能蒸汽发生器中使用混合膜，可有效地从废水中去除有机污染物，如若丹明B和亚甲基蓝。

图1复合膜的表征。（a）断面SEM图像。（b）为（a）中虚线圆圈的放大图，显示了MWCNT顶层的多孔分层的结构。杂化膜在（c）SWCNT和（d）MWCNT侧的接触角

图2CNT膜的光热转换特性。（a）杂化膜和SWCNT膜的紫外可见红外吸收光谱。（b）空气和阳光照射下混合薄膜和SWCNT薄膜的温度变化；（c）在阳光照射后的第一秒内，混合膜的红外热像图

图3 混合膜的太阳能蒸汽发电性能

图4 杂化膜的光学图像显示其自清洁性能

图5 杂化膜海水淡化性能

总而言之，通过简便的真空过滤方法可制得坚固且超黑的全CNT杂化膜。杂化膜由底部的亲水SWCNT束和顶部的纳米微分层结构的疏水MWCNT组成。亲水性SWCNT为水提供了渗透通道。疏水性碳纳米管使杂化膜具有自清洁性能，强光吸收性和高的光热转换能力。对于太阳能蒸汽发电应用，杂化膜的水蒸发速率高，为1.37 kg m^-2  h ^-1，小面积（〜4.5 cm ²）的热效率为87.4％，大面积（40 cm ²）的热效率为> 80％，表明这种全碳纳米管杂化膜在海水淡化和污水净化方面具有很大潜力。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622320306588

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