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  國(guó)際著名期刊Advanced Materials（《先進(jìn)材料》 影響因子：27.398）近期發(fā)表武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院鄧紅兵教授課題組與東華大學(xué)丁彬教授課題組在耐鹽太陽(yáng)能海水淡化納米纖維氣凝膠領(lǐng)域的最新合作成果。

  水資源與水安全一直是國(guó)際資源環(huán)境領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)。目前國(guó)際上約有20億人缺乏安全可靠的淡水供應(yīng)設(shè)施。為了確保足夠的淡水供應(yīng)，太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)近年來(lái)受到廣泛關(guān)注。但在海水淡化過(guò)程中，蒸發(fā)器表面的鹽會(huì)隨著蒸發(fā)而增加。由于大多數(shù)蒸發(fā)器對(duì)鹽的耐受能力不佳，很難將鹽分從蒸發(fā)界面移除，最終導(dǎo)致鹽在蒸發(fā)界面結(jié)晶。鹽晶體的出現(xiàn)會(huì)降低吸光度并阻塞水分運(yùn)輸通道，從而降低蒸發(fā)速率甚至損壞蒸發(fā)器。

  針對(duì)上述問(wèn)題，鄧紅兵教授和丁彬教授合作基于以下原則設(shè)計(jì)了一種耐鹽的納米纖維太陽(yáng)能蒸發(fā)器：一是蒸發(fā)器應(yīng)具有高效的光吸收能力，以將盡可能多的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱量；二是通過(guò)自組裝過(guò)程調(diào)控，納米纖維高度模擬生物質(zhì)纖維的孔道結(jié)構(gòu)和多孔管道壁，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建垂直排列的管道，以高效運(yùn)輸水分和鹽；三是蒸發(fā)器必須具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，以確保長(zhǎng)期有效的蒸發(fā)性能。

圖1 a是常規(guī)太陽(yáng)能蒸發(fā)器中的水運(yùn)輸，光吸收，蒸發(fā)和鹽結(jié)晶的示意圖。b是納米纖維（CNFAs）氣凝膠中的鹽運(yùn)輸，水運(yùn)輸，光吸收和蒸發(fā)的示意圖。

  為了滿足前兩個(gè)要求，利用纖維冷凍成型方法，將納米纖維組裝成具有垂直排列的管道的氣凝膠，以實(shí)現(xiàn)高效的鹽、水運(yùn)輸；通過(guò)將碳納米管（CNT）沉積在管道壁上，以通過(guò)管道中光的多次散射和吸收來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的光吸收。為了滿足機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性的要求，選擇了柔性的靜電紡SiO2納米纖維作為蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)元件。

圖2 a是CNFAs的制備和結(jié)構(gòu)示意圖。b至d為CNFAs在不同放大倍數(shù)下的微觀多孔結(jié)構(gòu)。e是具有高吸光度的CNFAs。f是CNFAs在水中的壓縮和回彈。g是從CNFAs表面產(chǎn)生的蒸氣。

  該蒸發(fā)器能夠吸收98%的太陽(yáng)光，在1個(gè)太陽(yáng)的光照下（1 kW m^-2）能夠以1.50 kg m^-2 h^-1 的速率產(chǎn)生蒸汽，即使在20%的鹽水中接受6個(gè)太陽(yáng)的持續(xù)照射（6 kW m^-2）也不產(chǎn)生鹽。此外，蒸發(fā)器還展現(xiàn)出了其優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，能經(jīng)受反復(fù)的壓縮、長(zhǎng)時(shí)間的超聲和酸堿處理，產(chǎn)生的淡水也完全滿足WHO的飲用水標(biāo)準(zhǔn)，受重金屬、有機(jī)染料、抗生素污染的廢水和海水中的有害成分幾乎完全被去除。

  在以往的報(bào)道中，蒸發(fā)器通常具有疏水性頂層和親水性底層。疏水層通過(guò)防止鹽水到達(dá)材料表面來(lái)防止鹽在材料表面上結(jié)晶。與上述防止鹽分到達(dá)的方法不同，該研究采用將鹽分運(yùn)走的策略。CNFAs的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征是由SiO2納米纖維框架構(gòu)成的親水性垂直排列的管道。垂直對(duì)齊的管道連接蒸發(fā)界面和底層水，從而確保了鹽通過(guò)擴(kuò)散和對(duì)流沿著最短路徑從鹽濃度高的蒸發(fā)界面?zhèn)鬏數(shù)禁}濃度低的底層水。與傳統(tǒng)的太陽(yáng)能蒸發(fā)器的纏繞路徑相比，垂直排列的管道將極大地促進(jìn)鹽從蒸發(fā)表面向大量水的傳輸。

  論文題為“Cellular Structured CNTs@SiO2 Nanofibrous Aerogels with Vertically Aligned Vessels for Salt‐Resistant Solar Desalination”（《具有垂直排列管道的蜂窩狀CNTs @ SiO2納米纖維氣凝膠用于耐鹽的太陽(yáng)能海水淡化》）。武漢大學(xué)2019級(jí)博士研究生董向陽(yáng)和東華大學(xué)博士研究生曹雷濤為并列第一作者，武漢大學(xué)為第一作者單位，鄧紅兵教授與丁彬教授為共同通訊作者。該課題得到國(guó)家自然科學(xué)基金、湖北省自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體的資助和支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.201908269