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  隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及人口數(shù)量的增長，全球都面臨嚴(yán)峻的能源短缺問題，尋找或開發(fā)高效低成本的新能源成為迫切需求。太陽能作為一種清潔可持續(xù)的能源近年來成為能源轉(zhuǎn)化利用的焦點(diǎn)，其應(yīng)用涉及光催化、光伏發(fā)電及光熱轉(zhuǎn)化等多個(gè)領(lǐng)域。利用太陽能產(chǎn)生蒸汽可用于污水處理、海水淡化、蒸汽發(fā)電等眾多領(lǐng)域，其中最關(guān)鍵的是制備并設(shè)計(jì)光熱轉(zhuǎn)換材料及裝置，將光能高效的轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝枰臒崮堋?

  基于此，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所劉富研究員課題組在光熱轉(zhuǎn)化材料及其裝置的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用方面取得了一系列研究進(jìn)展，首先探究了汲水量與光熱轉(zhuǎn)化效率的匹配關(guān)系（ACS Applied Energy Materials, 2019, 2, 4353-4361），發(fā)現(xiàn)在合適的匹配度下能獲得較高的光熱轉(zhuǎn)化速率。其次基于光熱轉(zhuǎn)化材料，直接以生物質(zhì)碳作為光熱轉(zhuǎn)化材料，水稻秸稈作為汲水裝置，從材料上大大降低了成本（ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11, 10672-10679）。除了上述直接對海水進(jìn)行淡化外，利用具有耐有機(jī)溶劑的碳纖維和普魯士藍(lán)@棉纖維進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對多介質(zhì)乃至有機(jī)溶劑的純化（Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7, 586-593；Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7，8960-8966）。最后為了簡化光熱轉(zhuǎn)化裝置，該團(tuán)隊(duì)制備出可以實(shí)現(xiàn)光熱水汽一體化管理的具有非對稱浸潤性的膜材料（Journal of  Materials Chemistry A, 2019, 7, 17505-17515），但是由于在使用過程中材料表面的溫度高于環(huán)境溫度，存在熱對流、熱輻射和熱傳導(dǎo)損失，其光熱轉(zhuǎn)化速率仍處于較低的值，僅為1.02 kg m^-2 h^-1。

  為了獲得較高的光熱轉(zhuǎn)化速率，劉富研究員團(tuán)隊(duì)從能量管理角度出發(fā)，利用具有三維自支撐性能的中空纖維膜作為光熱轉(zhuǎn)化材料，同時(shí)借助基底材料上的熱對流和熱輻射促進(jìn)上方中空纖維膜表面蒸汽的產(chǎn)生。相關(guān)成果以“Exceptional interfacial solar evaporation via heteromorphic PTFE/CNT hollow fiber array”為題發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A，2020，DOI：10.1039?/D0TA09368H。該論文第一作者是李田田博士，現(xiàn)在河北科技大學(xué)工作。

工作亮點(diǎn)：

（1）利用具有自支撐性能的中空纖維膜的三維結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)360度蒸發(fā)，其中豐富的纖維結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)自身汲水，表面的聚多巴胺和碳納米管可有效促進(jìn)光吸收；

（2）中空纖維膜下方基底材料的表面溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度及中空纖維膜表面溫度，從而消除了中空纖維膜表面的熱輻射和熱對流損失，同時(shí)基底材料以熱對流和熱輻射的形式促進(jìn)中空纖維膜表面蒸汽的產(chǎn)生；

（3）不同的排布方式對蒸汽的產(chǎn)生有重要影響，其主要原因是通過影響基底材料的表面溫度來影響上方蒸汽的產(chǎn)生。

圖1. 中空纖維膜的改性工藝：(a)和(b)中空纖維膜的親水改性；(c)使用PDA和CNT改性中空纖維膜；(d)光熱轉(zhuǎn)化裝置；(e)改性后的中空纖維膜可依靠毛細(xì)力進(jìn)行汲水；(f)蒸發(fā)過程模型圖。

圖2. 中空纖維膜的形態(tài)：HFO的斷面(a)、外表面(b)和內(nèi)表面(c)；HFH的斷面(d)、外表面(e)和內(nèi)表面(f)；HFC的斷面(g)、外表面(h)和內(nèi)表面(i)。(g)中的插圖代表斷面的局部放大SEM圖，(h)中的插圖為HFC膜表面的低倍率下的SEM圖。

圖3. (a) HFO、HFH和HFC中空纖維膜的ATR-FTIR光譜；(b)樣品表面的動(dòng)態(tài)接觸角，插圖(b1)、(b2)和(b3)分別為HFO、HFH和HFC的初始接觸角；干、濕狀態(tài)下的HFH和HFC (c)及透射(d)、反射(e)和吸收(f)光譜。

圖4. (a)分別以PS泡沫塑料，PVDF膜和碳布作為基底時(shí)，單根中空纖維膜表面水蒸發(fā)質(zhì)量與時(shí)間的關(guān)系；(b)和(c)分別為PS泡沫，PVDF膜和碳布的反射光譜和吸收光譜；(d-f)采用PS泡沫和分別用PVDF膜和碳布覆蓋的PS泡沫作為支撐體和HFC的表面溫度變化。

圖5. 不同排列方式的示意圖：并排排列(a)；高低排列(b)；間隔排列(c)；(d-f)分別以PS泡沫塑料，PVDF膜和碳布作為基底時(shí)，不同排列方式下三根中空纖維膜表面水蒸發(fā)質(zhì)量與時(shí)間的關(guān)系。

  本文提供了一種高效的利用太陽能提高蒸汽產(chǎn)生速率的方法，對于其原因進(jìn)行了較深入的討論與研究，發(fā)現(xiàn)下方基底材料的表面溫度對促進(jìn)蒸汽的產(chǎn)生起到了重要作用，同時(shí)拱形中空纖維結(jié)構(gòu)為整合更多的自然能如風(fēng)能創(chuàng)造了可能。

  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta09368h#!divAbstract