夏幼南团队Mater. Today Energy：一种高效太阳能表面水蒸发器件

文末附我们邀请Mater. Today Energy副编辑范红金教授为新刊的介绍

背景介绍

由于气候变化和人口增长的影响，淡水资源承受的压力逐步攀升，越来越多的国家开始建造海水淡化厂，使海水淡化成为水资源的重要补充和战略储备。目前常用的海水淡化方法主要包括蒸馏法和反渗透法，这两种方法的成本主要来自于材料设备投资和运行能耗，目前不但耗能高，对环境的影响也很大。把太阳能等可再生资源与海水淡化相结合正成为研究热点，这将在海水淡化和污水纯化等方面有良好的应用前景。

最近，美国佐治亚理工学院的夏幼南教授团队研发了一种可便携、并可重复使用的太阳能表面水蒸发膜，它由负载金纳米笼的聚偏氟乙烯(AuNC/PVDF)静电纺纳米纤维组成。与传统的太阳能蒸馏技术相比，它不需要使用昂贵笨重的光学聚焦元件，也不需要将所有水加热，显著提高了蒸发效率。在实际使用中，还可以通过调节金纳米笼的含量来改变AuNC/PVDF膜的升温曲线，进而控制水蒸发速率，以满足不同地区的成本需求。

该研究工作发表在ELSEVIER旗下杂志《Materials Today Energy》，东华大学的博士访问学生吴桐为第一作者，佐治亚理工学院夏幼南教授为通讯作者。

图文简介

图1. AuNC/PVDF水蒸发膜的紫外-可见光-近红外吸收光谱、宏观形貌数码照片以及微观形貌扫描电镜图片

要点：金纳米笼具有显著的光热效应以及优良的光热转换效率，通过调节其壁厚以及壁上的孔隙率，可以精确有效地将金纳米笼的局域表面等离子体共振峰调节至400−1200 nm范围内的任一波长。另一方面，通过静电纺丝技术制备的纳米纤维膜具有高孔隙率、高比表面积以及很好的连通性，且可选择的原材料较多，在能源、环境用膜的设计与制备中有广泛的应用前景。该研究中首先制备了局域表面等离子体共振峰在808 nm附近的金纳米笼，然后将其分散于PVDF的纺丝液中，通过静电纺丝技术制备AuNC/PVDF水蒸发膜，用于实验室研究。

图2. AuNC/PVDF水蒸发膜在空气中经近红外激光辐射后的照片以及温度升高曲线

要点：将干燥的AuNC/PVDF水蒸发膜在空气中经0.4 W cm^-2的近红外激光（波长808 nm）辐射30 s就可以将其温度升高到120 ^oC，其后温度保持稳定，而对于不添加金纳米笼的PVDF纳米纤维膜，其温度没有明显升高。同时，通过改变近红外激光的辐射强度，可以有效调控AuNC/PVDF膜的升温曲线，由于水的沸点为100 ^oC，实验中选择0.4 W cm^-2的辐射强度进行后续研究。

图3. AuNC/PVDF水蒸发膜漂浮于水面时经近红外激光辐射后的照片、辐射2小时内水的质量损失以及蒸发速率

要点：由于PVDF的疏水性，AuNC/PVDF纳米纤维膜可以自由地漂浮在水面上，并且可以自动随着水面的下降而下降。当AuNC/PVDF纳米纤维膜漂浮在水面时，经0.4 W cm^-2的近红外激光辐射15 min后膜的温度升高到96 ^oC。持续将AuNC/PVDF纳米纤维膜辐射2小时，蒸发水的质量为0.69 ± 0.02 g，水蒸发速率达到3.64 ± 0.06 kg m^-2 h^-1。

图4. AuNC/PVDF水蒸发膜的再循环能力以及用于水除盐和纯化的概念验证

要点：将AuNC/PVDF水蒸发膜置于水面上，经0.4 W cm^-2的近红外激光辐射2小时后真空干燥作为一个循环，重复10次，测量每次的水蒸发速率以及光热转换效率，亦即蒸发效率。结果表明，水的蒸发速率保持稳定，维持在3.40-3.57 kg m^-2 h^-1范围内，AuNC/PVDF水蒸发膜的光热转换效率也很稳定，保持在59.3-63.5%范围内，每个循环的平均光热转换效率为60.9%，这要远高于将光吸收纳米材料置于容器底层以对整体水加热时的光热转换效率(30−45%)或者直接将金纳米粒子分散于水中时的光热转换效率(24%)。

为了验证AuNC/PVDF水蒸发膜用于海水除盐以及污水纯化的概念，分别将该膜置于NaCl水溶液以及含有染料的水溶液液面上，经0.4 W cm^-2的近红外激光辐射5小时，蒸发水的质量和每小时可输出水的体积分别为1.55 ± 0.04 g和2.68 ± 0.04 L m⁻² h⁻¹ (NaCl溶液，图4C)以及1.45 ± 0.04 g和2.94 ± 0.04 L m⁻² h⁻¹(染料溶液，图4D)。

图5. 三种具有不同紫外-可见光-近红外吸收峰的金纳米笼形貌的透射电子显微镜图片、紫外-可见光-近红外吸收光谱以及在自然太阳光下辐射8小时内水的质量损失和蒸发速率

要点：为了将AuNC/PVDF纳米纤维膜用于太阳能蒸发水的实际应用，通过调控金纳米笼的壁厚以及壁上的孔隙率，制备出三种金纳米笼，其局域表面等离子体共振峰分别为650 nm (AuNCs-1)，740 nm (AuNCs-2)，970 nm (AuNCs-3)。将三种金纳米笼以一定比例混合后得到局域表面等离子体共振峰覆盖500−1000 nm范围的混合物，将其以0.05% 和0.10%的质量比例分散于PVDF纺丝液中，制备两种不同金纳米笼含量的AuNC/PVDF膜，用于自然太阳光下水蒸发的研究。

在自然太阳光下辐射8小时后，蒸发水的质量损失以及水蒸发速率分别达到10.73 g和 1.07 kg m⁻² h⁻¹ (0.05% AuNCs)以及12.78 g 和1.27 kg m⁻² h⁻¹(0.10% AuNCs)。比起不含金纳米笼的PVDF纳米纤维膜的水蒸发速率(0.30 kg m⁻² h⁻¹，主要来源于水自然蒸发)，AuNC/PVDF膜的水蒸发速率分别提高了3.57 (0.05% AuNCs)和4.23倍 (0.10% AuNCs)。将自然太阳光下的水蒸发反复进行10个循环，AuNC/PVDF膜的水蒸发速率稳定维持在1.03–1.12 kg m⁻² h⁻¹ (0.05% AuNCs)和1.21–1.30 kg m⁻² h⁻¹ (0.10% AuNCs)范围内，光热转换效率可达到67.0% (0.05% AuNCs)和79.8% (0.10% AuNCs)。

意义分析：

这一研究成果为高效太阳能表面水蒸发器件的设计与研发提供了一种新的思路，并可简单地通过调节金纳米笼的含量来达到不同的水蒸发效率，满足不同国家和地区的成本需求，后续更可与无针静电纺丝等大规模制备纳米纤维的技术相结合，获得AuNC/PVDF水蒸发膜的大批量生产，为水资源的可持续开发和利用提供了更多的可能。

原文链接

Wu, T.; Li, H.; Xie, M.; Shen, S.; Wang, W.; Mo, X and Xia, Y. Incorporation of gold nanocages into electrospun nanofibers for efficient water evaporation through photothermal heating. Materials Today Energy, 2019, 12, 129-135. DOI: 10.1016/j.mtener.2018.12.008.

Xia Group网页链接

https://www.nanocages.com/

期刊介绍： 

by Hong Jin Fan (Associate editor of MTE)

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Materials Today Energy 是Materials Today 家族的一本能源期刊，首发2017年。

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