日益严重的淡水短缺现象已构成全球性难题，严重阻碍了人类文明的迅速发展。据预测，到 2025 年，超过 50% 的国家将面临淡水危机；到 2050 年，世界上 75% 的人口将面临水资源短缺。当前，海水淡化是缓解水资源短缺的最理想策略，太阳能驱动的海水蒸发仅需要太阳光和海水就能够生产淡水，是未来海水淡化的一种有前途的方案。然而， 太阳能驱动的海水蒸发通常在蒸发器上实现，其性能往往受到高蒸发焓、固体盐结晶以及由于阳光倾斜导致蒸发减少的限制。
东华大学 陈志钢教授等人 报道了 一种受向日葵启发的，基于分层聚丙烯腈@硫化铜（PAN@CuS）织物的向日蒸发器。在该向日蒸发器中，海水可以在两个光热织物表面蒸发，从而具有更大的表面积和高蒸发率。此外，倾斜的织物能够有效地转移和富集海水中的溶质，从而避免织物上的固体盐结晶。 可变的织物倾斜角能够在宽入射角范围（从-90°到+90°）内最大程度地捕获倾斜的太阳光，从而防止蒸发减少，减少比率显着改进了83.9%。该工作最大限度地利用了太阳能和连续无盐脱盐技术实现海水淡化。该研究以题为“Hierarchical Photothermal Fabrics with Low Evaporation Enthalpy as Heliotropic Evaporators for Efficient, Continuous, Salt-Free Desalination”的论文发表在《ACS nano》上。
【PAN@CuS 织物的合成与表征】
作者通过对含铜电纺织物的原位硫化制备了分层 PAN@CuS 织物，并在织物表面组装了大量的 CuS 纳米片，通过多次反射提高了表面积和光捕获效率。暴露的 S 原子破坏了水/CuS 界面处的氢键，导致分层 PAN@CuS 织物上的水蒸发焓显着降低。在被水润湿后，PAN@CuS 织物在 200 nm 至 2500 nm 的太阳光谱范围内的吸光度保持在 91.1% 以上，太阳能吸收效率高达 92.2%，展现出 优异的太阳能吸收能力。当水滴到 PAN@CuS 织物上时，会迅速渗透到织物表面， 3.7 秒就消失不见（图 2h），这确保了织物具有 优异的润湿性。此外，在阳光照射下，PAN@CuS 织物的温度能在前 12 秒内从 25.0℃快速升高至 68.1℃，然后在 12-200秒内缓慢升高至 71.5℃，具有 良好的光热转换能力。
图1 PAN@CuS的合成和界面蒸发过程
图2 PAN@CuS织物的表征
【蒸发焓下降机理】
为了揭示PAN@CuS上水的蒸发焓下降机理，作者使用分子动力学模拟来分析CuS界面的水分子蒸发（图 3c-f）。在蒸发之前，在水/水界面处有大量氢键（蓝色虚线）（图 3d），而在水/CuS 界面，氢键主要形成在吸收水和游离水之间，水分子和S 原子之间不存在氢键（图 3e），说明CuS 纳米片的插入破坏了水的氢键分布。在蒸发开始时，水/水和水/CuS界面上存在相同数量的水分子（n = 500）。在 40°C 蒸发 200 ps 后，123 个水分子留在水表面，只有 79 个水分子留在 CuS 表面（图 3f），表明 CuS 的界面蒸发速度比水更快。作者认为这主要是由于较弱的界面约束造成的。这种效应进一步放大，最终导致PAN@CuS上 水的蒸发焓比纯水更低，更利于太阳能蒸发的海水淡化。
图3 热分析和模拟
【向日蒸发器的设计与性能】
传统蒸发器主要漂浮在海水表面（图4a），只能在垂直照射的太阳光下表现出最大的蒸发能力。作者设计并开发了新的向日蒸发器（图 4b）。在传统蒸发器中，蒸发率从 7:30 的 0.63 kg m -2 h -1上升到 11:00 的 1.29 kg m -2 h -1，然后在 17:00 逐渐减少到 0.68 kg m -2 h -1。蒸发率急剧下降48.7%主要源于角度从~11°（12:30）增加到~68°（17:00），减少了投影面积，从而减少了太阳能输入。在向日蒸发器中，角度接近自然太阳入射角，其蒸发率从 1.35 kg m -2 h -1（7:30）增加到 1.72 kg m -2 h -1（10:00），并在 17:00 逐渐下降到 1.45 kg m -2 h -1。蒸发率的轻微下降主要是由于自然太阳光强度的变化，而不受角度影响。 对于 1 平方米的向日蒸发器，每天的淡水产量约为 16.6 公斤，足以满足 6-8 个人的日常需求，在实际太阳能海水淡化中显示出巨大的优势。
图4蒸发模型和海水淡化性能
总结：作者报道了一种基于 PAN@CuS 纳米纤维的分层织物的制备，以及受向日葵启发的向日蒸发器的设计。由于CuS 界面的氢键解体，分层 PAN@CuS 织物的水蒸发焓与纯水相比显着降低。该蒸发器表现出高蒸发速率的同时没有固体盐结晶。 特别是在倾斜的阳光照射下（-90°到+90°），其蒸发率基本保持不变，而传统蒸发器的蒸发率减少了83.9%。该分层 PAN@CuS 织物和向日蒸发器有望为废水净化、溶质富集和工业分离等许多工业应用提供指导。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c01900