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  隨著工業(yè)化和城市化的發(fā)展，淡水資源緊缺的問題日益嚴(yán)重，已經(jīng)成為了限制人類社會(huì)發(fā)展的重要因素之一。太陽能界面水氣轉(zhuǎn)換（Interfacial Solar Steam Generation，ISSG）技術(shù)作為一種新興的海水淡化和污水處理方法，利用分布廣泛、清潔的太陽能作為能源進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)換，并將太陽能轉(zhuǎn)換來的熱限制在水氣界面，大大減少了熱的損失，從而顯著提高了水蒸氣的產(chǎn)生效率。因此ISSG技術(shù)是一種低成本、高效、清潔的海水淡化和污水處理方法，有望緩解淡水資源短缺的壓力，近年來受到科研界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。其中，太陽能蒸發(fā)器中光吸收層的設(shè)計(jì)和構(gòu)筑是ISSG技術(shù)的核心和關(guān)鍵，目前已經(jīng)發(fā)展出基于金屬納米粒子（Nanoparticles，NPs）、氧化石墨烯、導(dǎo)電聚合物和Ti₃C₂-MXene的二維薄膜或三維復(fù)合材料。相比起其他光熱材料制備的光吸收層材料，以聚多巴胺（polydopamine，PDA）為光熱材料的光吸收層具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，使其在ISSG領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用前景，但是如何便捷地實(shí)現(xiàn)這種材料的大規(guī)模制備仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

  為了測(cè)試光熱棉布在ISSG應(yīng)用中的工作效率，該團(tuán)隊(duì)使用了一種具有二維水通道設(shè)計(jì)的太陽能蒸發(fā)器，在工作時(shí)，水體通過由水運(yùn)輸介質(zhì)無紡布形成的二維水通道被快速運(yùn)輸至聚苯乙烯（PS）泡沫的上表面，并進(jìn)一步傳輸至親水的光熱棉布處。光熱棉布吸收太陽光并轉(zhuǎn)化為熱能，將水分加熱并蒸發(fā)，產(chǎn)生水蒸氣。PS泡沫的低熱導(dǎo)率與蒸發(fā)器和水體間的非直接接觸設(shè)計(jì)，可以有效降低向下熱傳導(dǎo)所引起的能量損失，大大提高水蒸氣的生產(chǎn)效率。 

  應(yīng)用上述太陽能蒸發(fā)器研究發(fā)現(xiàn)，P-Ag-P@CF在應(yīng)用測(cè)試中表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，包括：

  （1）出色的光吸收和升溫效率。如圖4，由于PDA分子和AgNPs對(duì)太陽光光吸收和光熱轉(zhuǎn)換的協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)，P-Ag-P@CF具有出色的太陽光吸收效率，在波段范圍300-1400nm內(nèi)的平均吸光效率可達(dá)93 %以上，并且在一個(gè)太陽光輻射僅300 s后，表面溫度由15 °C迅速升溫至41.1 °C。 

  （2）突出的蒸發(fā)效果。如圖5，P-Ag-P@CF對(duì)去離子水和海水的蒸發(fā)速率分別可達(dá)1.378和1.337 kg m^?2 h^?1，相應(yīng)的光熱水氣轉(zhuǎn)換效率為90.2 %和87.3 %，這與同類型的二維薄膜相比，處于領(lǐng)先的水平。此外，類似高效的蒸發(fā)性能同樣表現(xiàn)在對(duì)其它水資源類型的測(cè)試中，包括模擬污水、工業(yè)廢水以及乳液。 

  （3）較好的工作效率穩(wěn)定性和耐用性。如圖6，在對(duì)實(shí)際海水的連續(xù)8小時(shí)蒸發(fā)測(cè)試中，效率由87.1 %降至79.8 %，降幅僅約7 %，連續(xù)10天的耐用性測(cè)試中，平均水蒸發(fā)速率可達(dá)到1.334 kg m^?2 h^?1，相應(yīng)的能量效率為87.2 %。

 

  （4）高效的抗鹽表現(xiàn)。如圖6a插圖所示，P-Ag-P@CF在連續(xù)8小時(shí)海水淡化后表面有鹽結(jié)晶的析出，但放置過夜后，正如圖7抗鹽實(shí)驗(yàn)結(jié)果所示（0.5 g的氯化鈉晶體在7 h內(nèi)被完全溶解），鹽結(jié)晶被溶解消失，并不影響P-Ag-P@CF在第二天中的使用。P-Ag-P@CF優(yōu)異的抗鹽表現(xiàn)主要?dú)w功于PDA納米顆粒在CF表面的原位形成（如圖8），將適當(dāng)?shù)募{米結(jié)構(gòu)引入微結(jié)構(gòu)已被證明是改善水運(yùn)輸性能的有效方法。 

  （5）卓越的凈化效率。對(duì)海水中四種主要金屬離子Na⁺、K⁺、Mg²⁺和Ca²⁺的凈化效率超過99.9 %，對(duì)模擬工業(yè)廢水中Cu²⁺、Cr⁶⁺和Fe³⁺的凈化效率接近100 %。 

  因此本文通過浸涂法結(jié)合高溫干燥處理的方法合成可簡便大規(guī)模制備的P@CF，并引入DA為還原劑將Ag⁺吸附并還原至P@CF上構(gòu)建Ag-P@CF，最后再以相同的方法構(gòu)筑外層PDA層獲得P-Ag-P@CF。P-Ag-P@CF具有出色的升溫性能、突出的蒸發(fā)效果、較好的工作效率穩(wěn)定性和耐用性、高效的抗鹽表現(xiàn)、以及卓越的凈化效率，使其擁有巨大的潛力可以實(shí)現(xiàn)在ISSG技術(shù)中的廣泛應(yīng)用，為社會(huì)提供高效、快速、安全的純凈水供應(yīng)方案。該研究成果以A Facile Approach to Fabricate Sustainable and Large-Scale Photothermal Polydopamine-Coated Cotton Fabrics for Efficient Interfacial Solar Steam Generation為題發(fā)表在Industrial & Engineering Chemistry Research上。該論文的第一單位為華南師范大學(xué)華南先進(jìn)光電子研究院，論文第一作者為2019級(jí)碩士生徐佑森，文章通訊作者為張振副研究員、唐彪研究員和于得海教授。本論文得到廣東省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、佛山市教育局高校教師特色創(chuàng)新研究項(xiàng)目、廣州市基礎(chǔ)研究計(jì)劃基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目和閃思科技(ScienceK)等大力支持。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.iecr.2c03477

  下載：A Facile Approach to Fabricate Sustainable and Large-Scale Photothermal Polydopamine-Coated Cotton Fabrics for Efficient Interfacial Solar Steam Generation