研究背景
淡水资源的稀缺，加上人口增长，使得水资源短缺成为全球性问题。为了应对这一挑战，像反渗透、多效蒸馏和多级闪蒸蒸馏这样的海水淡化技术已经被广泛研究和商业化。然而，这些技术依赖于外部能源，面临高能耗、成本高、维护费用高和潜在环境污染等挑战。太阳能驱动的界面蒸发技术作为一种清洁和可持续的替代方案，提供了高效率、环保、适应性强和低成本等优势，显示出巨大的应用潜力。
设计高水蒸发率的蒸发器应满足三个关键标准：在整个太阳光谱范围内高效捕光、快速水传输和有效的热管理。光热转换材料，主要包括金属、半导体、水凝胶、碳材料及其复合材料，在光捕获能力中起着核心作用。金属材料通过等离子体加热提高能量转换效率，而半导体通过非辐射弛豫机制实现局部加热。然而，这些材料仅在特定波长下表现出高效的吸收能力，使得在整个太阳光谱范围内实现有效吸收变得具有挑战性。水凝胶通过改变水分子之间的相互作用促进水团簇蒸发，显著降低蒸发焓，从而提高水蒸发效率。然而，它们的制备规模有限和复杂的制造过程限制了它们的实际应用。碳材料，如碳纳米管、石墨烯及其衍生物，具有π-π*键和共轭π键，有助于通过小能量间隙促进分子振动和光电子跃迁。通过电子-电子或电子-声子散射使激发电子松弛产生热量。因此，它们可以有效地吸收太阳能并将其转化为整个太阳光谱的热能。此外，多孔碳骨架的构建增强了光的反射和散射，进一步提高了光捕获能力。研究人员正在开发结合每种材料优势的复合材料。
多孔骨架不仅促进光捕获，还增强了蒸发器的水传输和热管理能力。改善水传输能力的常见策略涉及利用毛细作用将水传输到蒸发器的上表面。亲水性多孔骨架在表面润湿性方面具有优势，有助于水的吸收和毛细泵送能力。
HIPE模板法是一种生产定制孔径的多孔聚合物（PolyHIPE）的技术。在多孔材料中，PolyHIPE具有高孔隙率和良好的机械稳定性的优势。然而，PolyHIPE的高孔隙率导致其机械性能低。因此，基于HIPE模板法开发具有良好机械性能和易加工性的高性能蒸发器仍然是一个重大挑战。
相关成果以“Hydrophilic polystyrene porous skeleton prepared via high internal phaseemulsion template for efficient solar-driven interfacial evaporation”为题发表在《Chemical Engineering Journal》（中科院一区，IF=13.4）上。
研究内容
太阳能驱动的界面蒸发能够从海水和废水中回收清洁水资源。然而，同时具有良好机械性能、优异加工性能和出色蒸发性能的蒸发器仍然是一项重大挑战。本项研究开发了一种太阳能驱动的界面蒸发器本项研究开发了一种太阳能驱动的界面蒸发器，通过高内相乳化（HIPE）模板法制备了多孔亲水性聚苯乙烯（H-PS）/多壁碳纳米管（MWCNT）复合材料，并涂覆黑漆以提高光热转换效率。H-PS 复合材料可模塑成大型一体化结构，并易于加工成各种形状，在应变为 80% 时的抗压强度为 4.60 兆帕。亲水性多孔骨架有利于通过毛细作用快速输水，导热系数低至 0.193 W m-1 K-1，可减少热量损失。在蒸发器中，通过 MWCNT 和黑色涂料的协同作用，在骨架上构建了高效的光吸收分层结构，在 250 到 2500 纳米波长范围内的吸收率达到 95.9%。在这种设计中，蒸发器在 1个太阳光照射下的纯水蒸发率高达 3.07 kg m-2h-1，海水蒸发率高达 3.01 kg m-2 h-1，表明高效太阳能驱动的界面蒸发器有望实现批量生产和实际应用。
相关成果以“Hydrophilic polystyrene porous skeleton prepared via high internal phaseemulsion template for efficient solar-driven interfacial evaporation”为题发表在《Chemical Engineering Journal》（中科院一区，IF=13.3）上。
研究数据
图 1. PolyHIPE 蒸发器的设计。 (a)PolyHIPE蒸发器的制备示意图。 （b）所开发的蒸发器展示了（i）光捕获、（ii）水传输和（iii）热管理的优点。
图 2. PolyHIPE 蒸发器的加工性能和机械性能。(a) 大型蒸发器 H-PSC1.0 和 H-PSC1.0-S 的光学照片。(c) H-PSC1.0 的压缩测试和 (d) 压缩显示。
图 3. PolyHIPE 的孔隙结构控制。(a) H-PS 的孔隙形成示意图、(b) 扫描电镜图像和 (c) 孔径分布。(d) H-PSC1.0 的孔隙形成示意图、(e) 扫描电镜图像和 (f) 孔径分布。 (g) H-PSC2.0 的孔隙形成示意图、(h) 扫描电镜图像和 (i) 孔径分布。
图 4. PolyHIPE 蒸发器的表征。(a) MWCNT、H-PSC1.0 和 H-PSC1.0-S 的 XPS 勘测光谱。 (b) MWCNT、H-PSC1.0 和 H-PSC1.0-S 的 C 1 s 高分辨率 XPS 光谱。水被染成蓝色。 (d) H-PS、H-PSC1.0、H-PSC2.0 和 H-PSC1.0-S 的紫外-可见-近红外光谱。 (e) H-PSC1.0-S 表面的 SEM 图像。
图 5. 蒸发器的蒸发性能。(a) 自制蒸发器在蒸发试验中的示意图。(b) 不同蒸发器在 1个太阳光照下的水蒸发率和太阳能蒸发效率。(c) 在 1-3 个太阳光照下，H-PSC1.0-S 在纯水和海水中的水分蒸发率。(d) 在 1 个太阳光照下海水淡化前后海水样本中四种主要离子的浓度。(e) H-PSC1.0-S 蒸发器与之前报道的一些蒸发器的蒸发率和太阳能蒸发效率比较。(f) H-PSC1.0-S 在太阳光照射下在水中的表面红外图像和温度曲线。
图 6. H-PSC1.0-S 蒸发器的稳定性和室外性能。(a) H-PSC1.0-S 蒸发器在 1 个太阳光照下 10 个周期的太阳能蒸发性能（纯水）。(b) H-PSC1.0-S 蒸发器在 1 个太阳光照下对海水的 10 个循环太阳能蒸发性能。(c) H-PSC1.0-S 在太阳光照射下连续 6 小时对纯水和海水的太阳能蒸发性能。(d) H-PSC1.0-S 蒸发器在室外蒸发实验中的照片。(e) 室外实验中的蒸发率和太阳光强度。
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158254
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