東華大學(xué)俞建勇院士團隊李發(fā)學(xué)/高婷婷課題組 AFM：一種成本效益高、水蒸發(fā)性能優(yōu)異且具有穩(wěn)定拒鹽能力的界面光蒸汽轉(zhuǎn)化材料
隨著工業(yè)的快速發(fā)展和人口的大量增長，淡水資源短缺已成為一個日益嚴(yán)重的全球性危機。為了解決這個問題，以太陽能為主的界面光蒸汽轉(zhuǎn)化技術(shù)被認(rèn)為是一種綠色清潔的水凈化方式，有望實現(xiàn)高效無污染的淡水資源供給。然而，界面光蒸汽轉(zhuǎn)化材料在實際應(yīng)用中一直受到表面鹽積累問題的限制，另外復(fù)雜的制備方法和昂貴的材料也制約了界面光蒸汽轉(zhuǎn)化材料的實際應(yīng)用前景。
近日，東華大學(xué)俞建勇院士團隊的李發(fā)學(xué)教授/高婷婷講師課題組首次通過水滴模板法（BFT）制備了一種成本效益高、水蒸發(fā)性能優(yōu)異且具有穩(wěn)定拒鹽能力的界面光蒸汽轉(zhuǎn)化材料。該工作制得的光蒸汽轉(zhuǎn)化材料為下層親水上層疏水的Janus結(jié)構(gòu)：下層為親水的棉織物，有助于水快速輸送，且具有優(yōu)異的力學(xué)性能；上層是由碳黑（CB）和聚丙乙烯丁二烯（SBS）組成的多孔CB@SBS結(jié)構(gòu)。該多孔結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點：（1）降低光的反射，增加表面光的吸收率（＞95.5%）；（2）增加水蒸氣的逸散；（3）優(yōu)異的疏水拒鹽能力。該光蒸汽轉(zhuǎn)化材料性能優(yōu)異，成本低，制備工藝簡單，能實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。
圖1. CB@SBS/棉織物的制備流程和太陽能水汽蒸發(fā)機理示意圖
利用BFT法在棉織物上形成的CB@SBS層側(cè)面和表面都具有分布均勻且相互貫通的孔洞（圖2），其成孔機理為：表面涂覆有CB@SBS混合溶液的棉織物放入高濕環(huán)境中后，混合溶液中CHCl3強烈的揮發(fā)性造成了CB@SBS層表面溫度的下降，引起了表面水滴的凝結(jié)，水滴的凝結(jié)會釋放熱量來補償揮發(fā)所吸收的熱量，從而達到平衡；如果這個過程持續(xù)很長一段時間，CB@SBS表面就會凝結(jié)足夠多的水滴，覆蓋整個表面；當(dāng)CB@SBS/棉織物從高濕環(huán)境中取出后，表面的水滴會自主揮發(fā)，形成大小不一的孔洞（圖1）。
CB@SBS的多孔結(jié)構(gòu)有利于光的吸收和水蒸氣的逸散（圖3d-g），從而使得CB@SBS/棉織物在一個太陽光下實現(xiàn)了1.40 kg m-2 h-1的水蒸發(fā)率和93.3%的光蒸汽轉(zhuǎn)化效率（圖4）。
圖2. CB@SBS/棉織物的微觀形貌
圖3. CB@SBS/棉織物的水潤濕性能、光吸收率、透氣透濕性和機械性能
圖4. CB@SBS/棉織物的光蒸汽轉(zhuǎn)化性能
除了多孔結(jié)構(gòu)的作用，CB@SBS/棉織物還具有上層疏水下層親水的Janus結(jié)構(gòu)（圖3a-c），能夠在鹽水處理過程中實現(xiàn)穩(wěn)定高效的水蒸發(fā)，有效解決表面鹽結(jié)晶的問題。在一個太陽光下，CB@SBS/棉織物在3.5% NaCl中能實現(xiàn)1.37 kg m-2 h-1的高效穩(wěn)定水蒸發(fā)和91.3%的光蒸汽轉(zhuǎn)化效率，且在15個循環(huán)周期內(nèi)表面無鹽積累。另外，該CB@SBS/棉織物不僅機械性能優(yōu)異，耐用性好（圖3h-i），而且相比于目前大多數(shù)的光蒸汽轉(zhuǎn)化材料，具有性價比高的優(yōu)勢（圖5）。
圖5. CB@SBS/棉織物的拒鹽實驗
在戶外實驗中，以CB@SBS/棉織物為基礎(chǔ)，搭建了一個簡易的太陽能驅(qū)動淡水收集裝置，該裝置在一天（8:00-16:00）的自然光照下，實現(xiàn)了6.23 kg m-2的水收集，且在連續(xù)五天內(nèi)依然保持著穩(wěn)定高效的收集水平，收集的水能夠達到人的飲用標(biāo)準(zhǔn)（圖6）。優(yōu)異的光蒸汽轉(zhuǎn)化性能、良好的機械性能、較高的性價比和簡單的制備工藝使CB@SBS/棉織物具有很好的實際應(yīng)用前景。
圖6. CB@SBS/棉織物的戶外水收集數(shù)據(jù)
相關(guān)工作以“Breath-Figure Self-Assembled Low-Cost Janus Fabrics for Highly Efficient and Stable Solar Desalination”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊上（DOI: 10.1002/adfm.202113258）。論文第一作者是東華大學(xué)紡織學(xué)院博士生田焰寬，論文的通訊作者為東華大學(xué)紡織學(xué)院李發(fā)學(xué)教授和高婷婷講師。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中央高校基本科研基金、中國紡織工業(yè)聯(lián)合會應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目、上海市揚帆計劃和上海市現(xiàn)代紡織前沿科學(xué)研究計劃的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202113258
