研究背景

最近，碳纳米管（CNT）因其能对太阳辐射进行全光谱吸收和良好的稳定性在太阳能驱动水蒸发领域受到极大关注。尽管有上述优点，但在水蒸气产生后，难以从水中分离或收集CNT是CNT光吸收器的一个主要限制。这导致从水中分离CNT的成本对许多应用来说变得难以接受。CNT海绵和CNT阵列等多孔CNT材料中的CNT被连接并形成三维（3D）网络。相互连接的CNT网络具有易于从水中分离的优势。三维CNT网络中的通道或开放的孔隙为水分子的流入和水汽的逸出提供了途径。使用基于CNT的光吸收剂的一个持续挑战是CNT侧壁的超疏水性，它阻止了水快速渗入多孔CNT材料并抑制了水的转移。关于改善水对CNT侧壁的润湿性的研究似乎很有意义。CNT侧壁的化学改性正在成为改善CNT侧壁的亲水性的有效途径。这种最广泛使用的方法通常需要CNT在溶液中的均匀和稳定的分散，以实现水对CNT侧壁的良好润湿性。然而，高度多孔的CNT材料的三维网络往往在CNT的分散过程中被破坏了。对于基于CNT的多孔光吸收剂，非常需要一种有效的、非破坏性的化学改性技术。近期，有学者使用了一种非破坏性的方法来改善CNT侧壁的亲水性，该方法通过在CNT侧壁上加入了亲水的丝纤维蛋白（SF）涂层，以提高水对CNT侧壁的润湿性。

相关成果以“Extremely black carbon nanotube materials with three-dimensional networks for highly efficient solar-driven vapor generation”为题发表在纳米科学领域国际期刊《Nanoscale》（IF=8.307）上。

研究内容

在这项研究中，多孔CNT海绵（CNTS）和排列CNT阵列（CNTA）被用作光吸收器，通过收集太阳能产生水蒸气。为了改善水在超疏水CNT上的润湿性并加强水在多孔CNT材料中的传输，研究人员用亲水的丝纤维素（SF）蛋白涂层装饰CNT，水可以迅速渗入多孔的SF修饰的CNT材料。重要的是，通过SF蛋白分子和CNT侧壁之间的氢键产生的强大的水-SF相互作用导致SF改性的CNT材料中水的汽化焓减少，这有利于水蒸气的产生。此外，SF改性的CNT光吸收剂在2至12的宽泛的pH范围内表现出优异的蒸汽生成性能和良好的稳定性。因此，SF改性的CNT材料的优点是有可能适用于高或低pH值的废水净化和苦咸水淡化。其次，研究表明具有垂直排列的CNT的SF-CNTA光吸收器有利于水的运输和蒸汽逃逸。在一个太阳的照射下，水的蒸发率达到了3.2 kg m -2 h -1，其能量转换效率为94%。经过脱盐处理后，海水中的初级离子浓度大大降低，符合饮用水的要求。以上优势使得净化废水或淡化高低PH值的咸水成为可能。

研究数据

图1. （a）原始CNTA、（b）SF-CNTA、（c）原始CNTS和（d）SF-CNTS的TEM图像。

图2. （a）纯SF、SF-CNTA和SF-CNTS的FTIR光谱和（b）TGA数据；（c和d）原始CNTA、SF-CNTA、原始CNTS和SF-CNTS的XPS；（e）SF-CNTA和（f）SF-CNTS的EDS元素图。

图3. （a）原始CNTA、（b）SF-CNTA、（e）原始CNTS和（f）SF-CNTS的水接触角图像；（c和g）原始CNTA、SF-CNTA、原始CNTS和SF-CNTS在水中的图片；（d和h）整个SF-CNTA和SF-CNTS蒸发器的照片。

图4. 原始CNTS、SF-CNTS、原始CNTA和SF-CNTA的吸收光谱。

图5. （a）太阳水汽生成系统以及（b）SF-CNTA和SF-CNTS中的水通道的原理图。

图6. （a）有光吸收剂和无光吸收剂的充水容器的质量变化；（b）3.5%盐水、SF-CNTS和SF-CNTA在不同辐照时间下的表面温度；（c）3.5%盐水、（d）SF-CNTS和（e）SF-CNTA在一个太阳辐照下的蒸汽生成过程的红外图像。

图7. （a）拉曼光谱和对拉曼光谱数据的拟合以及（b）不同功率密度下SF-CNTA的能量转移效率。

图8. （a）不同pH值的水在一次阳光照射下的蒸发率和（b）SF-CNTA在不同周期的水蒸发率。（c）不同辐照时间下充满海水的容器的质量变化以及（d）海水和脱盐海水中的离子浓度。

https://doi.org/10.1039/D2NR04857D

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