【摘要】

太陽能驅動的海水蒸發通常在浮動蒸發器上實現，但其性能受到高蒸發焓、固體鹽結晶以及陽光傾斜導致蒸發減少的限制。為了解決這些問題， 東華大學 陳志鋼教授 / 朱美芳院士 團隊共同 制造了分層聚丙烯腈 @硫化銅（PAN@CuS）織物并提出了向日葵蒸發器的原型。

與純水 (2406.17 kJ kg ^-1 , 40 °C) 相比，分層 PAN@CuS 織物的水蒸發焓 (1956.32 kJ kg ^-1 , 40 °C) 顯著降低，因為氫鍵的解體在 CuS 界面。 基于這種織物，開發了一種向日向蒸發模型，其中海水在織物中從高處緩慢流向低處。在太陽輻射（1.0 kW m ^-2 ）下 ，該模型表現出高速率蒸發（ ~2.27 kg m ^-2 h ^-1 ）和飽和鹽水生產，沒有固體鹽結晶。

特別是在傾斜的陽光下（角度范圍：從-90°到+90°），向日模型保持幾乎不變的太陽蒸發率，而浮動模型顯示出嚴重的蒸發減少（83.9%）。因此， 該團隊 研究提供了一種降低蒸發焓的策略，最大限度地利用太陽能和連續無鹽脫鹽。 相關論文以題為 Hierarchical Photothermal Fabrics with Low Evaporation Enthalpy as Heliotropic Evaporators for Efficient, Continuous, Salt-Free Desalination 發表在《 A CS Nano 》上。

【主圖導讀】

圖 1. 制造和界面蒸發過程。 示意圖顯示（a）分層 PAN@CuS 織物的原位硫化和（b）界面焓還原。

圖 2. PAN@CuS 織物的特性。 (a) PAN@CuS 織物的典型照片和 (b,c) SEM 圖像。(d) 單個 PAN@CuS 納米纖維的 TEM 圖像。(e) 單根納米纖維的 HAADF 和映射圖像。(f) 硫化前后織物的氮吸附和解吸等溫線。插圖：兩種織物的表面積比。(g) PAN/CuS 薄膜和不同織物的 UV-vis-NIR 吸收光譜。(h) PAN@CuS 織物上 0、1.8、2.7 和 3.7 秒時的水滴照片。(i) 模擬陽光下干燥的 PAN@CuS 和 PAN 織物的表面 溫度曲線（ 1.0 kW m ^-2 ）。

圖 3. 熱分析和模擬。 (a) 純水和濕 PAN@CuS 織物在 40 °C 下的 TG 測量值。(b) 顯示水蒸發焓降低的示意圖。(c) CuS 晶體模型 (010) 平面的頂視圖。水/水 (d) 和水/CuS (e) 界面模擬電池的側視圖。藍色虛線是計算出的氫鍵。(f) MD 模擬中 0 和 200 ps 的水/水和水/CuS 細胞的圖像。

圖 4. 蒸發模型和淡化性能。 (a) 浮動和 (b) 向日葵蒸發模型的示意圖。(c) 太陽輻照（1.0 kW m ^-2 ）下不同時間漂浮模型、向日模型和純海水的蒸發質量。(d) 兩種蒸發模型的長期蒸發率。100 小時蒸發試驗后（e）漂浮和（f）向日葵模型的照片。(g) 脫鹽后真實海水和冷凝蒸汽中的五種主要金屬溶質和 Cu ²⁺ 濃度。(h) 脫鹽后不同 NaCl 溶液和冷凝蒸汽中的Na ⁺ 濃度。(i) 在不同滲透速度下收集的鹽水樣品中的Na ⁺ 濃度。

圖 5. 光線傾斜引起的變化。 (a) 浮動和 (b) 向日葵模型中不同傾斜太陽輻射的示意圖。(c) 不同入射角下浮動和向日射模型的歸一化理論投影面積。(d) 傾斜陽光下漂浮、平懸和向日光模型的蒸發率。

圖 6.室外太陽能蒸發測試。 (a) 向日光蒸發裝置的典型照片 (α≈θ≈11°)。(b) 在不同白天時間測量的自然太陽入射角和相應的向日和漂浮模型的α。(c) 不同日間向日葵和漂浮模型的蒸發率。(d) 在一天的不同時間累積的海水蒸發質量和測量的太陽強度。

【總結】

該團隊已經報道了基于 PAN@CuS 納米纖維的分層織物的制造以及受向日葵啟發的向日葵蒸發模型的設計。分層PAN@CuS織物是通過含銅電紡織物的原位硫化制備的，大量的CuS納米片組裝在織物表面，通過多次反射增加了表面積和有效的光捕獲。重要的是，暴露的 S 原子破壞了水/CuS 界面處的氫鍵，導致分層 PAN@CuS 織物上的水蒸發焓顯著降低（從 2406.17 kJ kg ^-1 到 1956.32 kJ kg ^-1 ）。此外，基于這種織物設計了向日葵蒸發模型。在這個向日向模型中，海水可以在兩個光熱織物表面蒸發，從而 具有更大的表面積和高蒸發率（ ~2.27 kg m ^-2 h ^-1 ，太陽強度：1.0 kW m ^-2 ）。此外，傾斜的織物能夠有效地轉移和富集海水中的溶質，從而避免織物上的固體鹽結晶。此外， 可變的織物傾斜角度可以在寬入射角范圍（從 -90° 到 +90°）內最大程度地捕獲傾斜的太陽光，從而防止蒸發減少，并且是對具有減少比率的浮動模型的顯著改進83.9%。 分層 PAN@CuS 織物和向日葵蒸發模型闡明了低焓蒸發器的發展，也為許多其他工業應用提供了指導，如廢水凈化、溶質富集和工業分離。

參考文獻 ：

doi.org/10.1021/acsnano.1c01900

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《Joule》東華大學武培怡：雙網絡水凝膠熱電池具有非凡的韌性和高功率密度，可實現連續熱量收集

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