水污染和淡水資源短缺正在成為值得人類認(rèn)真考慮的全球性問題，從海水或廢水中脫鹽和凈化水，是滿足全球?qū)η鍧嵥找嬖鲩L需求的經(jīng)濟(jì)有效的方法。近年來，傳統(tǒng)的凈化水技術(shù)，例如反滲透技術(shù)，膜處理，離子交換以及一些多效蒸餾系統(tǒng)，盡管已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。但與這些高成本、缺乏可持續(xù)性的技術(shù)相比，太陽能驅(qū)動(dòng)的水蒸發(fā)技術(shù)因其充分的利用可再生的太陽能資源，對環(huán)境危害小，高效等優(yōu)勢引起了科研工作者們極大的關(guān)注。
影響太陽能蒸發(fā)器高效水蒸發(fā)的主要因素包括寬頻的光吸收、光熱轉(zhuǎn)換的局部化、水分的傳導(dǎo)及水分的蒸發(fā)。過去的大量研究，尤其是人工合成的碳基材料、等離子體材料以及親水性的泡沫材料，仍然存在著成本高，制備過程復(fù)雜，鹽堆積引起的蒸發(fā)效率不穩(wěn)定、耐久性差等缺點(diǎn)。大自然提供了豐富且廉價(jià)的原材料，可以轉(zhuǎn)化為可持續(xù)的高性能多功能材料。
近日，美國東北大學(xué)祝紅麗教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種可持續(xù)、高效、易制備的雙層絲瓜絡(luò)太陽能蒸發(fā)器。作者首先用熱臺(tái)對絲瓜絡(luò)進(jìn)行快速碳化處理，頂部碳化層作為具有寬頻的光吸收和高光捕獲的高效太陽能吸收器。在底層，由于絲瓜絡(luò)纖維的天然親水性和分級的大孔、微通道結(jié)構(gòu)，從不同方向往局部加熱的碳化層補(bǔ)充足夠的水。在海水淡化過程中，大孔和微通道的鹽濃度梯度可以通過管壁上的微孔實(shí)現(xiàn)鹽交換，防止鹽在蒸發(fā)器表面積聚，從而確保了長期穩(wěn)定性，如圖1~圖2所示。
絲瓜絡(luò)作為一種豐富的可再生資源，有著良好的柔韌性和耐久性，其固有的三維多孔結(jié)構(gòu)、可提供毛細(xì)作用力的內(nèi)部微通道、親水性的富含纖維素的纖維確保了其優(yōu)異的吸水性能，同時(shí)，還具有極低的熱導(dǎo)率（57.5 mW m-1 K-1），是一種理想的太陽能界面蒸發(fā)材料。絲瓜絡(luò)上層經(jīng)碳化處理后，對200 nm – 2500 nm的寬頻光譜吸收率達(dá)到了95.4 %，遠(yuǎn)高于未經(jīng)處理的絲瓜絡(luò)的光吸收能力（48.4 %）。同時(shí)作者也對其高光吸收機(jī)理進(jìn)行了闡述：（1）絲瓜絡(luò)的多層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致內(nèi)部光散射并被限制在層之間的有限空間中；（2）入射光在粗糙的纖維表面及纖維之間形成的微尺度的大孔內(nèi)經(jīng)歷多次反射；（3）入射光在纖維內(nèi)部的微通道內(nèi)經(jīng)歷多重反射從而將光最大程度的限制在微通道內(nèi)。由于絲瓜絡(luò)太陽能蒸發(fā)器優(yōu)異的吸水性、吸光性和隔熱性，其在一個(gè)模擬太陽光照射下表現(xiàn)出高蒸發(fā)速率1.42 kg m-2 h-1 和優(yōu)異的蒸發(fā)效率89.9%， 如圖3~圖5所示。
圖4. （A）在3個(gè)模擬太陽光照射下蒸發(fā)器產(chǎn)生的可見蒸汽的照片。（B）太陽能蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。（C）在1個(gè)模擬太陽光照下，使用純水，天然絲瓜絡(luò)，碳化木頭和表面碳化絲瓜絡(luò)的純水質(zhì)量變化。（D）在1、2、3和5個(gè)模擬太陽光照下，使用表面碳化的絲瓜絡(luò)蒸發(fā)器的純水質(zhì)量變化。（E）在1、2、3和5個(gè)模擬太陽光照下，絲瓜絡(luò)蒸發(fā)器的蒸發(fā)效率和速率。（F）在1、2、3和5個(gè)模擬太陽光照射下，蒸發(fā)器水蒸發(fā)的循環(huán)性能，每個(gè)循環(huán)持續(xù)超過1小時(shí)；蒸發(fā)速率和光學(xué)濃度之間的相關(guān)性是線性的。（G）與在1個(gè)模擬太陽光照射下，基于絲瓜絡(luò)的蒸發(fā)器蒸發(fā)速率與相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的對比圖。
接著，作者對該蒸發(fā)器進(jìn)行了實(shí)際淡化海水的模擬，與碳?xì)终舭l(fā)器表面嚴(yán)重的鹽聚集相比，在長達(dá)二十天的循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，絲瓜絡(luò)太陽能蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和蒸發(fā)性能保持穩(wěn)定，顯示出優(yōu)異的自清潔性能和可重復(fù)使用性。這是由于（1） 纖維之間的大孔結(jié)構(gòu)與纖維內(nèi)部微管道，由于鹽濃度梯度，可以通過管道壁上的微孔進(jìn)行鹽交換。（2）絲瓜絡(luò)纖維本身具有很好的親水性，可迅速吸收水分以補(bǔ)充加熱面上的汽化鹽水，進(jìn)一步避免鹽堆積。
【總結(jié)】
在這項(xiàng)工作中，源于自然界的親水性絲瓜絡(luò)，通過表面碳化處理，獲得了無界面阻力的完整雙層結(jié)構(gòu)，具有極高的太陽光譜吸收率，同時(shí)，絲瓜絡(luò)固有的由排列良好的微通道（10-20μm）組成的微纖維（~100μm）的獨(dú)特層級結(jié)構(gòu)，可以作為光吸收體和水泵用于太陽能海水淡化。因此這種低成本、豐富、可持續(xù)且性能穩(wěn)定的天然絲瓜絡(luò)高效太陽能蒸發(fā)器具有大規(guī)模應(yīng)用的廣闊前景。
上述工作近期以“‘Antifouling’ Porous Loofahs Sponge with Internal Microchannels as Solar Absorbers and Water Pumpers for Thermal Desalination”為題發(fā)表在英國皇家化學(xué)學(xué)會(huì)旗下材料學(xué)國際知名期刊 Journal of Materials Chemistry A， 該論文第一作者為美國東北大學(xué)與華南理工大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生劉超， 美國東北大學(xué)祝紅麗教授為該論文的通訊作者。
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https://doi.org/10.1039/D0TA03872E
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