2021年8月，博士生刘子潇的论文 “Hierarchical Photothermal Fabrics with Low Evaporation Enthalpy as Heliotropic Evaporators for Efficient, Continuous, Salt-Free Desalination”发表在ACS Nano (2021, 15, 13007)。目前，ACS Nano影响因子为15.881。

 太阳能海水蒸发是指利用太阳光加热海水，产生蒸汽从而将水与盐分离，再将水蒸气冷凝后得到淡水的海水淡化技术。与众多成熟的海水淡化技术不同，太阳能海水蒸发只需要太阳光作为驱动力，不需要消耗任何的其他化石能源，因而受到了人们的广泛关注。太阳能海水蒸发的核心在于高效光热转换材料的制备与新型蒸发器件的开发。在先前的研究中，人们大多将光热转换材料制备成薄膜或泡沫，并将其漂浮在海水表面，在太阳光的照射下进行海水蒸发。此类漂浮型蒸发器件依然面临盐分析出、阳光倾斜入射蒸发减弱、蒸发焓较高等瓶颈问题，极大程度地限制了太阳能海水蒸发的发展。

图1 原位硫化(a)与CuS界面效应(b)示意图

 为了解决以上问题，受向日葵的启发，本工作发展了一种多级结构光热转换布和向光型装置用于太阳能海水蒸发。首先通过静电纺丝-原位硫化两步法得到聚丙烯腈@硫化铜(PAN@CuS)纳米纤维无纺布(图1a)，其外观呈现绿色，由非取向的纳米纤维组成，表面被粗糙的外层覆盖，纤维之间存在微米级孔洞结构。分子动力学模拟发现CuS晶体表面有大量S原子暴露在外侧，产生界面效应，破坏了水分子在界面处的氢键，从而使蒸发焓显著下降(图1b)。进一步地，将PAN@CuS无纺布与棉布结合，构建了向光型海水蒸发模型。该模型中，光热转换布的两端固定在两个高度不同的水槽内壁，位置较高的水槽里装满海水，较低的水槽保持空置；布的中间拉平，吸光面以一定的角度α倾斜，在毛细作用力、亲水性和虹吸作用的共同作用下，海水首先会被吸到光热转换布上，然后沿着布由高到低流动，在蒸发的同时带走盐分。在1.0 kW m^-2模拟太阳光照射下，向光型装置的蒸发速率达到2.27 kg m^-2，蒸发效率达到90.2%。此外，在100 h的连续蒸发测试中，向光型装置的蒸发速率始终维持在2.23 kg m^-2 h^-1左右(α=30°)，测试结束后表面没有出现任何固体盐颗粒，证明该装置能够保持长时间蒸发稳定，同时避免盐分析出。

图2 阳光倾斜入射对不同蒸发模型投影面积的影响。不同入射角照射下漂浮型(a)和向光型(b)装置示意图；(c) 两种模型的归一化投影面积与入射角度在理论上的对应关系。(c) 漂浮、平挂和向光装置的蒸发速率与入射角的对应关系

 当阳光倾斜照射时，传统的漂浮蒸发装置光吸收面始终保持水平(图2a, α=0°)，所能捕获的太阳光能量也随之越来越低(图2c)，对太阳能海水蒸发极为不利。向光型蒸发装置的光吸收面可始终与太阳的入射方向保持正交(图2b, α=θ)，维持投影面积不变(图2c)，使得所捕获的太阳光能量保持稳定。在后续的蒸发测试中，当入射角θ从-90°逐渐调整至0°，再增加到90°时，漂浮型和平挂型装置(α=0°)均出现蒸发速率先升高再降低的变化(图2d)，而向光型装置(α=θ)的蒸发速率始终维持在2.2-2.3 kg m^-2 h^-1之间，不随θ的变化而发生改变(图2d)，有效解决阳光倾斜入射所导致的蒸发减弱的问题。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.1c01900