近日，我校纖維材料改性國家重點實驗室/bevictor伟德官网陳志鋼、朱美芳教授合作在太陽能光熱海水淡化領域取得重要進展，相關成果以“Continuously Producing Watersteam and Concentrated Brine from Seawater by Hanging Photothermal Fabrics under Sunlight”為題發表在國際著名期刊《Advanced Functional Materials》上。bevictor伟德官网系論文第一完成單位，bevictor伟德官网博士生劉子潇為論文第一作者，我校陳志鋼和朱美芳教授以及新加坡國立大學劉小鋼教授為該論文的共同通訊作者。理學院伍濱和教授為論文的共同作者。

海水淡化被認為是解決淡水資源緊缺這一全球性問題的最佳途徑，傳統的海水淡化技術往往需要消耗化石能源，不可避免地會造成污染，加重環境負擔，太陽能光熱海水淡化技術的出現為解決這一問題提供了新途徑。太陽能光熱海水淡化是指利用太陽光加熱海水産生水蒸氣，再通過冷凝得到淡水的技術。這一技術僅通過太陽光和海水就可得到淡水，無需消耗其他化石類能源，因其低價、清潔、可持續的特點而備受關注。當前，太陽能光熱海水淡化技術已取得長足進步，但已有研究大多将光熱轉換層直接漂浮在海水表面(圖1a,b)，再通過太陽光照射産生蒸汽，這種漂浮模式容易産生三個問題：(1) 光熱轉換層的下表面與海水直接接觸，所産生的熱會向下層海水傳遞，造成熱損失；(2) 漂浮模式僅有上表面發生蒸發，蒸發面積有限；(3) 蒸發過程中，海水中的鹽會在材料表面積累，最終析出産生結晶，嚴重阻礙光吸收，破壞材料微觀結構，使蒸發速度顯著降低。

為了解決以上難題，在本工作中，研究人員首先将聚苯胺納米棒塗敷在棉布表面，制備出聚苯胺-棉布光熱轉換布，再創新性地将其懸挂于兩個裝有海水的水槽之間，使得布的兩端浸沒于海水中，整體呈現出中間低、兩端高的弧形，下方放置一個水槽，用于收集鹵水。在毛細作用下，海水首先從兩端的水槽中被吸收到光熱轉換布上，之後在重力的作用下，由布的兩端向中心處彙聚，并最終滴落至下方的水槽中。在太陽光照射下，棉布上的聚苯胺吸收太陽光并轉換成熱，加熱海水使之蒸發，所得水蒸汽通過冷凝得到淡水，來不及蒸發的海水得到濃縮并收集于下方水槽中(圖1c,d)。

圖1 傳統漂浮蒸發與懸挂式蒸發裝置示意圖

這一裝置主要有四個優點(圖2)：

(1) 熱量集中。懸挂式設計使得光熱轉換布的上下兩表面同時接觸空氣，空氣的熱導率僅為0.023 W m^-1 K^-1，具有極好的隔熱性能，這使得熱量最大限度地集中在布的表面，極大程度地減少了熱的散失，通過理論計算，相同光照下，懸挂模式的熱損失速率（42.7 W m^-2）僅為漂浮模型（253.5 W m^-2）的16.8%；

(2) 雙面蒸發。海水在布的上下兩表面同時蒸發，蒸發速率顯著提高，在光強為1.0 kW m^-2的太陽光照射下，海水的蒸發速率達到1.94 kg m^-2 h^-1，太陽能利用率高達89.9%，而相同光照下漂浮模型的蒸發速率僅為0.81 kg m^-2 h^-1，太陽能利用率為35.0%；

(3) 避免析鹽。海水在聚苯胺-棉布上始終處于流動狀态，其中的鹽分會随鹵水的滴落而從布上移除，并不會在布的表面積累，從而避免了表面析鹽所帶來的反射率增加、蒸發速率降低等負面影響；

(4) 鹵水濃縮。海水蒸發後所剩餘的鹵水可以通過裝置下方的水槽進行收集，變廢為寶，用于氯堿工業等多種工業領域，同時，通過調節滴速，鹵水中的鹽濃度可以得到調控，以3.5 wt%的NaCl溶液為例，通過調節滴速，鹵水濃度最高可達到飽和（~26 wt%）。

圖2懸挂式蒸發裝置的防析鹽與鹵水濃縮性能

懸挂式蒸發模型的提出，在增加了蒸發速率的同時避免的析鹽現象。通過調節可産生飽和的鹵水，對下遊的多種工業領域均有意義，該模型不僅在太陽能光熱海水淡化領域展現出極大前景，還對其他污水處理裝置的發展具有借鑒意義，極具産業化前景。

陳志鋼教授團隊長期緻力于光熱轉換材料的研究，近年來在近紅外光熱癌症診療（Adv. Mater., 2011, 23, 3542; Adv. Mater., 2013, 25, 2095; Adv. Mater., 2016, 28, 245; Adv. Funct. Mater., 2016, 26, 8231; Nanoscale, 2017, 9, 9148; Biomaterials, 2018, 161, 279;Chem. Eng. J.2019, DOI: 10.1016/j.cej.2019.122613）和太陽能光熱海水淡化領域（Desalination, 2019, 462, 29; ACS Appl. Mater. Inter., 2019, DOI: 10.1021/acsami.9b12806）開展了多項研究工作，取得了系列進展。

《Advanced Functional Materials》最新影響因子為15.621。以上工作得到了國家自然科學基金、上海市科學技術委員會、上海市教育委員會創新項目、曙光計劃、中央高校基本科研專項資金、bevictor伟德官网勵志計劃、bevictor伟德官网博士研究生創新基金等基金的資助。

論文鍊接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201905485