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東華大學俞建勇院士/李發學教授/高婷婷副教授 ACS Nano：用于大規模、低成本、高效太陽能海水淡化蒸發器的全纖維素基芯吸織物

2025-03-11 來源：高分子科技

界面太陽能蒸汽發生（ISVG）技術被認為是海水淡化和廢水處理的一種有前途和可持續的策略。但由于其嚴重的積鹽和長期蒸發穩定性差，極大地限制了其實際應用。此外，界面蒸發材料常面臨材料昂貴、制造工藝復雜以及難以大規模制備等實際應用問題。因此開發具有高蒸發速率、易于制造和良好的耐鹽性的新型蒸發器以用于潛在的大規模實際應用具有重要意義。

近期，東華大學俞建勇院士團隊：功能纖維新材料課題組李發學教授和高婷婷副教授提出了一種全纖維素基的層級芯吸織物，用于高效且穩定的太陽能界面蒸發。該織物采用簡單的呼吸圖模板法制備，形成了分級多孔結構和梯度潤濕性的獨特雙層結構。上下層組成的獨特雙層多孔結構產生了快速的定向水傳輸效應，不僅為光熱層提供了充足的水供應，還確保了蒸發器具有長期的抗鹽能力。此外，光熱層 CB@CA 的多孔結構有效地延長了光程，從而實現了有效的光捕獲和快速蒸汽逸出。因此，CB@CA/CF 蒸發器在單陽光照射下實現了 2.08 kg m^-2 h^-1 的高蒸發速率；即使在 3.5 wt% NaCl 溶液中工作 8 小時，也能保持 1.98 kg m^-2 h^-1 的高蒸發速率，且無鹽積累。此外，設計的浮動蒸發系統可以在真實戶外環境條件下處理印染廢水，每天可收集 8.39 kg m^-2 的凈化水，表現出優異的實用性。此外，制造工藝的簡單性和材料選擇的低成本使其在大規模海水淡化和廢水處理等方面具有廣闊的應用前景（圖1）。

該工作以“Architecting of All-Cellulose-Based Wicking Fabric for a Large-Scale, Low-Cost, and Highly Efficient Solar Desalination Evaporator ”為題在線發表在《ACS Nano》上。文章共同第一作者是東華大學碩士研究生夏峰和蘇州納米所博士后田焰寬博士，共同通訊作者為高婷婷副教授、李發學教授，東華大學為第一單位。該研究得到國家自然科學基金委的支持。

圖1. CB@CA/CF蒸發器的制造工藝和工作機理示意圖。

圖2.CB@CA/CF蒸發器的形貌結構、化學結構和機械性能。

圖3. CB@CA/CF蒸發器的光吸收、水傳輸和蒸汽滲透性。

圖4. CB@CA/CF蒸發器的界面蒸發性能及機理分析

圖5. CB@CA/CF蒸發器的拒鹽能力和蒸發穩定性

圖6. CB@CA/CF蒸發器的實際應用

綜上，該工作報道了一種獨特的全纖維素基芯吸織物，用于高效和穩定的太陽能界面蒸發。CB@CA/CF獨特的層級結構使其具有出色的定向水傳輸性能，因此展現了高效的蒸發性能和出色的拒鹽能力。另外其制造過程和材料選擇的簡單性也為開發高效、穩定且成本低的太陽能海水淡化蒸發器提供了新的思路，并為解決淡水短缺問題提供了有效途徑。

該工作是團隊近期關于光熱界面蒸發領域的最新進展之一，該團隊聚焦紡織纖維材料的多尺度結構設計、功能化及應用領域拓展等基礎問題，開展了一系列織物基光蒸汽轉換材料的創新研究，致力于通過可持續的方式實現海水淡化和印染廢水處理問題。在過去的兩年中，該團隊提出通過呼吸圖案模板法（BFT）構筑多孔光吸收層并制備了成本效益高、易于制造且具有穩定拒鹽能力的層級光熱織物（Advanced Functional Materials 2022, 32, 2113258）；基于仿生設計理念開展了一系列靜電植絨功能織物的結構設計和應用研究（Advanced Functional Materials 2024, 34, 2309470、Advanced Fiber Materials 2024, 6, 1446-1455）；并基于靜電植絨技術開發了穩定、高效且經濟的多級海水淡化裝用于淡水和礦物鹽的收集利用（Environmental Science & Technology 2024, 58, 7237-7682）。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c14352

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（責任編輯：xu）

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