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  太陽能海水蒸發是指利用太陽光加熱海水，產生蒸汽從而將水與鹽分離，再將水蒸氣冷凝后得到淡水的海水淡化技術。與眾多成熟的海水淡化技術不同，太陽能海水蒸發只需要太陽光作為驅動力，不需要消耗任何的其他化石能源，因而受到了人們的廣泛關注。太陽能海水蒸發的核心在于高效光熱轉換材料的制備與新型蒸發器件的開發。在先前的研究中，人們大多將光熱轉換材料制備成薄膜或泡沫，并將其漂浮在海水表面，在太陽光的照射下進行海水蒸發。此類漂浮型蒸發器件依然面臨鹽分析出、陽光傾斜入射蒸發減弱、蒸發焓較高等三大瓶頸，限制了太陽能海水蒸發的發展。

  受向日葵的啟發，東華大學朱美芳院士、陳志鋼教授團隊在已有懸掛蒸發裝置(Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1905485)的基礎上，發展了一種向光型太陽能海水蒸發裝置。該裝置的核心部件為一種多級結構光熱轉換布，由靜電紡絲-原位硫化兩步法得到。首先通過靜電紡絲得到含銅前驅體的聚丙烯腈(PAN)納米纖維，然后通過原位硫化構筑超薄硫化銅(CuS)納米片超結構。PAN@CuS多級納米纖維無紡布的外觀呈現綠色(圖1a)，由非取向的納米纖維組成(圖1b)，納米纖維的直徑為400-500 nm (圖1c)，表面被粗糙的外層覆蓋，纖維之間存在微米級孔洞結構。TEM圖像(圖1d)證實，納米纖維表面的粗糙外層是由超薄納米片堆積而成，納米片的厚度約為4 nm，在纖維表面直立，與纖維軸向相垂直，超薄納米片之間形成了納米級空隙。元素面掃描分布圖(圖1e)顯示，PAN@CuS納米纖維中Cu和S元素主要分布在外側，而C和N元素集中在內側。氮氣吸附-脫附測量實驗(圖1f)顯示樣品在硫化后比表面積顯著提升，其表面積與表觀面積之比達到1092.19，說明1-m²的PAN@CuS無紡布樣品能夠提供1092.19 m²的表面積。熱力學分析顯示，水在PAN@CuS無紡布表面的蒸發焓降低至1956.32 kJ kg^-1。分子動力學模擬發現CuS晶體表面有大量S原子暴露在外側，產生界面效應，破壞了水分子在界面處的氫鍵，從而使蒸發焓顯著下降。以上實驗說明所得樣品為多級結構無紡布，該樣品能夠提供大的表面積用于海水蒸發。

圖1 PAN@CuS無紡布的實物圖(a)、SEM照片(b, c)、TEM照片(d)和元素分布圖(e)；(f) 硫化前后無紡布的氮氣等溫吸附-脫附曲線和表面積/表觀面積之比

  進一步地，作者將PAN@CuS無紡布與棉布結合，構建了向光型海水蒸發模型。與傳統漂浮蒸發裝置(圖2a)不同，向光型蒸發模型中光熱轉換布的兩端固定在兩個高度不同的水槽內壁，位置較高的水槽里裝滿海水(圖2b)。布的中間拉平，吸光面以一定的角度α傾斜。在毛細作用力、親水性和虹吸作用的共同作用下，海水首先會被吸到光熱轉換布上，然后沿著布由高到低流動，在蒸發的同時帶走鹽分(圖2b)。在1.0 kW m^-2模擬太陽光照射下，向光型裝置的蒸發速率達到2.27 kg m^-2 (圖2c)，蒸發效率達到90.2%。在100 h的連續蒸發測試中，向光型裝置的蒸發速率始終維持在2.23 kg m^-2 h^-1左右(α=30°，圖2d)，測試結束后其表面沒有出現任何固體鹽顆粒(圖2f)；而漂浮型裝置的蒸發速率則從1.81 kg m^-2 h^-1降低至0.57 kg m^-2 h^-1左右(圖2d)，測試結束后裝置表面出現了大量的固體鹽顆粒(圖2e)。以上實驗證明該裝置具有高蒸發速率，同時可有效避免鹽分析出，保持長時間蒸發穩定。

圖2 漂浮(a)與向光(b)蒸發模型示意圖；(c) 不同裝置在模擬太陽光(1.0 kW m^-2)下的蒸發質量變化；(d) 100 h連續蒸發測試中的速率變化；測試后，漂浮(e)與向光(f)蒸發裝置表面照片 

  當陽光傾斜照射時，傳統的漂浮蒸發裝置光吸收面始終保持水平(圖3a, α=0°)，所能捕獲的太陽光能量也隨之越來越低(圖3c)，對太陽能海水蒸發極為不利。向光型蒸發裝置的光吸收面可始終與太陽的入射方向保持正交(圖3b, α=θ)，維持投影面積不變(圖3c)，使得所捕獲的太陽光能量保持穩定。在后續的蒸發測試中，當入射角θ從-90°逐漸調整至0°，再增加到90°時，漂浮型和平掛型裝置(α=0°)均出現蒸發速率先升高再降低的變化(圖3d)，而向光型裝置(α=θ)的蒸發速率始終維持在2.2-2.3 kg m^-2 h^-1之間，不隨θ的變化而發生改變(圖3d)，有效解決陽光傾斜入射所導致的蒸發減弱的問題。

圖3 陽光傾斜入射對不同蒸發模型投影面積的影響。不同入射角照射下漂浮型(a)和向光型(b)裝置示意圖；(c) 兩種模型的歸一化投影面積與入射角度在理論上的對應關系。(c) 漂浮、平掛和向光裝置的蒸發速率與入射角的對應關系

  上述論文的第一作者為東華大學材料學院博士生劉子瀟，通訊作者為陳志鋼教授。東華大學朱美芳院士、張玉梅教授等為該工作的共同作者。該項研究得到國家自然科學基金、上海市科學技術委員、上海市教育委員會、中央高校基礎研究等項目的大力資助。

  論文信息：Zixiao Liu, Zhan Zhou, Naiyan Wu, Ruiqi Zhang, Bo Zhu, Hong Jin, Yumei Zhang, Meifang Zhu, and Zhigang Chen*. Hierarchical Photothermal Fabrics with Low Evaporation Enthalpy as Heliotropic Evaporators for Efficient, Continuous, Salt-Free Desalination. ACS Nano 2021

  DOI: 10.1021/acsnano.1c01900

  論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.1c01900 

  課題組網站：https://pilab.dhu.edu.cn/zgchen/main.psp