美國東北大學祝紅麗教授團隊《JMCA》：耐用、抗污的多孔絲瓜絡用于高效太陽能淡化海水

水污染和淡水資源短缺正在成為值得人類認真考慮的全球性問題，從海水或廢水中脫鹽和凈化水，是滿足全球對清潔水日益增長需求的經濟有效的方法。近年來，傳統(tǒng)的凈化水技術，例如反滲透技術，膜處理，離子交換以及一些多效蒸餾系統(tǒng)，盡管已經取得了很大的進展。但與這些高成本、缺乏可持續(xù)性的技術相比，太陽能驅動的水蒸發(fā)技術因其充分的利用可再生的太陽能資源，對環(huán)境危害小，高效等優(yōu)勢引起了科研工作者們極大的關注。

影響太陽能蒸發(fā)器高效水蒸發(fā)的主要因素包括寬頻的光吸收、光熱轉換的局部化、水分的傳導及水分的蒸發(fā)。過去的大量研究，尤其是人工合成的碳基材料、等離子體材料以及親水性的泡沫材料，仍然存在著成本高，制備過程復雜，鹽堆積引起的蒸發(fā)效率不穩(wěn)定、耐久性差等缺點。大自然提供了豐富且廉價的原材料，可以轉化為可持續(xù)的高性能多功能材料。

近日，美國東北大學祝紅麗教授團隊報道了一種可持續(xù)、高效、易制備的雙層絲瓜絡太陽能蒸發(fā)器。作者首先用熱臺對絲瓜絡進行快速碳化處理，頂部碳化層作為具有寬頻的光吸收和高光捕獲的高效太陽能吸收器。在底層，由于絲瓜絡纖維的天然親水性和分級的大孔、微通道結構，從不同方向往局部加熱的碳化層補充足夠的水。在海水淡化過程中，大孔和微通道的鹽濃度梯度可以通過管壁上的微孔實現(xiàn)鹽交換，防止鹽在蒸發(fā)器表面積聚，從而確保了長期穩(wěn)定性，如圖1~圖2所示。

絲瓜絡作為一種豐富的可再生資源，有著良好的柔韌性和耐久性，其固有的三維多孔結構、可提供毛細作用力的內部微通道、親水性的富含纖維素的纖維確保了其優(yōu)異的吸水性能，同時，還具有極低的熱導率（57.5 mW m^-1 K^-1），是一種理想的太陽能界面蒸發(fā)材料。絲瓜絡上層經碳化處理后，對200 nm – 2500 nm的寬頻光譜吸收率達到了95.4 %，遠高于未經處理的絲瓜絡的光吸收能力（48.4 %）。同時作者也對其高光吸收機理進行了闡述：（1）絲瓜絡的多層結構導致內部光散射并被限制在層之間的有限空間中；（2）入射光在粗糙的纖維表面及纖維之間形成的微尺度的大孔內經歷多次反射；（3）入射光在纖維內部的微通道內經歷多重反射從而將光最大程度的限制在微通道內。由于絲瓜絡太陽能蒸發(fā)器優(yōu)異的吸水性、吸光性和隔熱性，其在一個模擬太陽光照射下表現(xiàn)出高蒸發(fā)速率1.42 kg m^-2 h^-1 和優(yōu)異的蒸發(fā)效率89.9%， 如圖3~圖5所示。

接著，作者對該蒸發(fā)器進行了實際淡化海水的模擬，與碳氈蒸發(fā)器表面嚴重的鹽聚集相比，在長達二十天的循環(huán)實驗中，絲瓜絡太陽能蒸發(fā)器的結構和蒸發(fā)性能保持穩(wěn)定，顯示出優(yōu)異的自清潔性能和可重復使用性。這是由于（1） 纖維之間的大孔結構與纖維內部微管道，由于鹽濃度梯度，可以通過管道壁上的微孔進行鹽交換。（2）絲瓜絡纖維本身具有很好的親水性，可迅速吸收水分以補充加熱面上的汽化鹽水，進一步避免鹽堆積。

【總結】

在這項工作中，源于自然界的親水性絲瓜絡，通過表面碳化處理，獲得了無界面阻力的完整雙層結構，具有極高的太陽光譜吸收率，同時，絲瓜絡固有的由排列良好的微通道（10-20μm）組成的微纖維（~100μm）的獨特層級結構，可以作為光吸收體和水泵用于太陽能海水淡化。因此這種低成本、豐富、可持續(xù)且性能穩(wěn)定的天然絲瓜絡高效太陽能蒸發(fā)器具有大規(guī)模應用的廣闊前景。

上述工作近期以“‘Antifouling’ Porous Loofahs Sponge with Internal Microchannels as Solar Absorbers and Water Pumpers for Thermal Desalination”為題發(fā)表在英國皇家化學學會旗下材料學國際知名期刊 Journal of Materials Chemistry A， 該論文第一作者為美國東北大學與華南理工大學聯(lián)合培養(yǎng)博士生劉超， 美國東北大學祝紅麗教授為該論文的通訊作者。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1039/D0TA03872E

課題組鏈接：

http://www.coe.neu.edu/research/hongli_group/