《ACS Nano》东华陈志钢/朱美芳院士：向日葵蒸发器用于高效、连续、无盐海水淡化

【摘要】

太阳能驱动的海水蒸发通常在浮动蒸发器上实现，但其性能受到高蒸发焓、固体盐结晶以及阳光倾斜导致蒸发减少的限制。为了解决这些问题， 东华大学 陈志钢教授 / 朱美芳院士 团队共同 制造了分层聚丙烯腈 @硫化铜（PAN@CuS）织物并提出了向日葵蒸发器的原型。

与纯水 (2406.17 kJ kg ^-1 , 40 °C) 相比，分层 PAN@CuS 织物的水蒸发焓 (1956.32 kJ kg ^-1 , 40 °C) 显着降低，因为氢键的解体在 CuS 界面。 基于这种织物，开发了一种向日向蒸发模型，其中海水在织物中从高处缓慢流向低处。在太阳辐射（1.0 kW m ^-2 ）下 ，该模型表现出高速率蒸发（ ~2.27 kg m ^-2 h ^-1 ）和饱和盐水生产，没有固体盐结晶。

特别是在倾斜的阳光下（角度范围：从-90°到+90°），向日模型保持几乎不变的太阳蒸发率，而浮动模型显示出严重的蒸发减少（83.9%）。因此， 该团队 研究提供了一种降低蒸发焓的策略，最大限度地利用太阳能和连续无盐脱盐。 相关论文以题为 Hierarchical Photothermal Fabrics with Low Evaporation Enthalpy as Heliotropic Evaporators for Efficient, Continuous, Salt-Free Desalination 发表在《 A CS Nano 》上。

【主图导读】

图 1. 制造和界面蒸发过程。 示意图显示（a）分层 PAN@CuS 织物的原位硫化和（b）界面焓还原。

图 2. PAN@CuS 织物的特性。 (a) PAN@CuS 织物的典型照片和 (b,c) SEM 图像。(d) 单个 PAN@CuS 纳米纤维的 TEM 图像。(e) 单根纳米纤维的 HAADF 和映射图像。(f) 硫化前后织物的氮吸附和解吸等温线。插图：两种织物的表面积比。(g) PAN/CuS 薄膜和不同织物的 UV-vis-NIR 吸收光谱。(h) PAN@CuS 织物上 0、1.8、2.7 和 3.7 秒时的水滴照片。(i) 模拟阳光下干燥的 PAN@CuS 和 PAN 织物的表面 温度曲线（ 1.0 kW m ^-2 ）。

图 3. 热分析和模拟。 (a) 纯水和湿 PAN@CuS 织物在 40 °C 下的 TG 测量值。(b) 显示水蒸发焓降低的示意图。(c) CuS 晶体模型 (010) 平面的顶视图。水/水 (d) 和水/CuS (e) 界面模拟电池的侧视图。蓝色虚线是计算出的氢键。(f) MD 模拟中 0 和 200 ps 的水/水和水/CuS 细胞的图像。

图 4. 蒸发模型和淡化性能。 (a) 浮动和 (b) 向日葵蒸发模型的示意图。(c) 太阳辐照（1.0 kW m ^-2 ）下不同时间漂浮模型、向日模型和纯海水的蒸发质量。(d) 两种蒸发模型的长期蒸发率。100 小时蒸发试验后（e）漂浮和（f）向日葵模型的照片。(g) 脱盐后真实海水和冷凝蒸汽中的五种主要金属溶质和 Cu ²⁺ 浓度。(h) 脱盐后不同 NaCl 溶液和冷凝蒸汽中的Na ⁺ 浓度。(i) 在不同渗透速度下收集的盐水样品中的Na ⁺ 浓度。

图 5. 光线倾斜引起的变化。 (a) 浮动和 (b) 向日葵模型中不同倾斜太阳辐射的示意图。(c) 不同入射角下浮动和向日射模型的归一化理论投影面积。(d) 倾斜阳光下漂浮、平悬和向日光模型的蒸发率。

图 6.室外太阳能蒸发测试。 (a) 向日光蒸发装置的典型照片 (α≈θ≈11°)。(b) 在不同白天时间测量的自然太阳入射角和相应的向日和漂浮模型的α。(c) 不同日间向日葵和漂浮模型的蒸发率。(d) 在一天的不同时间累积的海水蒸发质量和测量的太阳强度。

【总结】

该团队已经报道了基于 PAN@CuS 纳米纤维的分层织物的制造以及受向日葵启发的向日葵蒸发模型的设计。分层PAN@CuS织物是通过含铜电纺织物的原位硫化制备的，大量的CuS纳米片组装在织物表面，通过多次反射增加了表面积和有效的光捕获。重要的是，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（从 2406.17 kJ kg ^-1 到 1956.32 kJ kg ^-1 ）。此外，基于这种织物设计了向日葵蒸发模型。在这个向日向模型中，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（ ~2.27 kg m ^-2 h ^-1 ，太阳强度：1.0 kW m ^-2 ）。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。此外， 可变的织物倾斜角度可以在宽入射角范围（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，并且是对具有减少比率的浮动模型的显着改进83.9%。 分层 PAN@CuS 织物和向日葵蒸发模型阐明了低焓蒸发器的发展，也为许多其他工业应用提供了指导，如废水净化、溶质富集和工业分离。

参考文献 ：

doi.org/10.1021/acsnano.1c01900

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