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東華大學(xué)朱美芳院士、陳志鋼教授團(tuán)隊(duì) Prog. Mater. Sci. 綜述：用于太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)海水淡化的光熱織物
2025-01-09  來(lái)源：高分子科技

  東華大學(xué)朱美芳院士、陳志鋼教授團(tuán)隊(duì)基于光熱織物在太陽(yáng)能海水淡化方面表現(xiàn)出的潛力，近期在Progress in Materials Science (IF=33.6)期刊上發(fā)表了題為“Photothermal fabrics for solar-driven seawater desalination”的綜述文章。該文章由東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生胡金晶擔(dān)任第一作者，陳志鋼教授為通訊作者，朱美芳院士和南京大學(xué)朱嘉教授共同指導(dǎo)下完成。研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFB3804902, 2022YFB3804900）和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52161145406,42376045）的支持。


光熱織物：驅(qū)動(dòng)未來(lái)的太陽(yáng)能海水淡化革命


金芒巧織熱紋裳，煙升慢散化瓊漿。

細(xì)密纖絲傳水速，特殊紋絡(luò)鎖能強(qiáng)。

高轉(zhuǎn)化能驅(qū)鹵苦，長(zhǎng)持效力解干荒。

科技融材興百業(yè)，凈涓直濟(jì)眾生長(zhǎng)。


圖1. 光熱織物在太陽(yáng)能海水淡化應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)


  隨著城市化、工業(yè)化、人口增長(zhǎng)和氣候變化的加劇，全球淡水需求不斷攀升，淡水資源危機(jī)日益嚴(yán)峻。在全球水資源中，海水占比高達(dá)96%，覆蓋地球表面的75%，是儲(chǔ)量最豐富、分布最廣的水源。然而，如何將這一巨大的資源轉(zhuǎn)化為可用淡水，仍是亟待解決的核心課題。傳統(tǒng)海水淡化技術(shù)高度依賴化石燃料和電力等高級(jí)能源，不僅成本高昂，還帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境挑戰(zhàn)。在此背景下，太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的海水淡化技術(shù)脫穎而出，以其可再生性、生態(tài)友好性和巨大潛力，成為解決淡水資源與能源危機(jī)的理想選擇。


  這篇綜述文章聚焦于光熱織物在太陽(yáng)能海水淡化中的應(yīng)用，系統(tǒng)總結(jié)了光熱織物的制備策略、基于光熱織物的蒸發(fā)器設(shè)計(jì)，以及多功能蒸發(fā)系統(tǒng)的最新進(jìn)展。光熱織物因其資源豐富、成本低廉、比表面積大、用途廣泛、結(jié)構(gòu)可調(diào)及優(yōu)異的柔韌性，展現(xiàn)出在太陽(yáng)能蒸發(fā)技術(shù)中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：（1）粗糙紋理表面有助于陽(yáng)光的多次吸收，提高光熱轉(zhuǎn)化效率；（2）復(fù)雜纖維結(jié)構(gòu)帶來(lái)高比表面積，顯著增強(qiáng)蒸發(fā)過(guò)程中水與空氣的接觸界面；（3）可調(diào)親水性和毛細(xì)作用協(xié)同優(yōu)化，確保蒸發(fā)過(guò)程中海水的持續(xù)供應(yīng)；（4）高度柔性適配多種蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)；（5）低成本和可規(guī)；a(chǎn)的特性，賦予其在大規(guī)模海水淡化中的廣闊潛力。


圖2. (a)結(jié)合光熱材料的織物光熱轉(zhuǎn)換機(jī)理：表面等離子體共振（SPR） (b)、電子-空穴對(duì)非輻射弛豫(c)和分子熱振動(dòng)(d)


圖3. 基于光熱織物所構(gòu)建的典型太陽(yáng)能蒸發(fā)系統(tǒng)


  文章詳細(xì)整合了光熱織物的制備技術(shù)，包括表面改性、高溫碳化、靜電紡絲、氣噴紡絲和結(jié)構(gòu)編織等方法，同時(shí)探討了超結(jié)構(gòu)光熱織物在廣譜光吸收和水分傳輸中的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要素。此外，文章重點(diǎn)介紹了光熱織物蒸發(fā)器的多樣化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括漂浮型、翻轉(zhuǎn)型、三維隔離型、懸掛型和向光斜掛型蒸發(fā)器，并深入剖析了其在光吸收增強(qiáng)、熱損失控制和抗鹽結(jié)晶方面的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系。


圖4. 多功能太陽(yáng)能蒸發(fā)系統(tǒng)—催化、發(fā)電和鹽漬土修復(fù)。


  更為重要的是，作者詳細(xì)介紹并展望了太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)海水蒸發(fā)系統(tǒng)的跨領(lǐng)域應(yīng)用，包括催化、發(fā)電以及鹽漬土修復(fù)等，展示了這一技術(shù)在解決淡水匱乏、能源短缺和環(huán)境污染等復(fù)雜挑戰(zhàn)中的多重潛力。通過(guò)光熱織物的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、太陽(yáng)能蒸發(fā)器的優(yōu)化構(gòu)建以及多功能特性的融入，太陽(yáng)能蒸發(fā)系統(tǒng)的效率已可突破90%，為淡水資源開(kāi)發(fā)提供了顛覆性解決方案。


  作者在文章中強(qiáng)調(diào)，光熱織物在太陽(yáng)能海水淡化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的研究?jī)r(jià)值。同時(shí)，他們也深刻分析了光熱織物及其相關(guān)蒸發(fā)器在產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，為未來(lái)的技術(shù)發(fā)展和研究方向提供了清晰的指導(dǎo)。這項(xiàng)工作無(wú)疑將推動(dòng)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)海水淡化技術(shù)邁向新的高峰，為全球水資源可持續(xù)管理注入強(qiáng)勁動(dòng)力。


  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2024.101407

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