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  太陽能界面水蒸發是實現高效低能耗海水淡化的有效途徑，如何通過材料和結構設計來提高界面光熱汽化效率也是目前研究的主流方向。影響太陽能蒸汽產生過程（Solar vapor generation，SVG）有四個關鍵因素：光熱轉換、熱傳輸、水傳輸和水蒸發過程。目前已有大量研究針對以上這些子過程進行設計，以達到提高SVG效率的目的。但如何將這些關鍵因素協同整合，從而降低內部損耗，實現效率最大化，仍是一項巨大的挑戰。

  針對以上問題，四川大學環保型高分子材料國家地方聯合工程實驗室的陳思翀教授團隊在已有的聚多巴胺包覆納米纖維研究基礎上，通過模板犧牲方式制備了聚多巴胺納米管，并基于其構建了三維太陽能界面水蒸發器件（PDA-t@PU），實現了光熱轉換、促進水傳輸、降低蒸發能及提升熱量管理等多功能集成，從而大幅提升SVG效率。

  一方面，聚多巴胺（PDA）是一種具有親水性和光熱轉換功能的生物質材料，不僅可以將可見光轉換為熱，還可以通過表面水合作用降低水的蒸發能；另一方面，通過模板犧牲法將聚多巴胺制備為納米/亞微米的中空管狀形貌（PDA-t），不僅可以使得器件具有良好的集熱效果，減少熱能向環境的流失，實現高效的熱管理，還可以利用其毛細管作用有效提升器件對水的輸送能力。

圖1. PDA-t@PU太陽能蒸發器設計示意圖

  多功能集成使得PDA-t@PU器件可以在三維模式下實現高效的SVG效果。大量粘附在PU骨架上的親水性PDA中空管可以通過毛細管作用將水快速的輸送至器件的上表面，進而結合PDA的光熱轉換和水合作用實現高效的太陽能水蒸發。與此同時，裸露于液面以上的器件側表面所粘附的PDA-t還可以利用水蒸發過程的吸熱作用從環境中獲取熱量，進一步提升SVG效率。根據器件裸露在液面之上的高度不同，其表觀SVG效率可高達2.5~3.6 kg m^-2 h^-1。

圖2 (a) PDA-t@PU三維太陽能蒸發器示意圖. (b) 不同液面裸露高度條件下PDA-t@PU蒸發器的水失重率. (c) PDA-t@PU蒸發器的表觀SVG速率、上表面SVG速率及側表面SVG速率. (d) PDA-t@PU蒸發器表觀SVG速率與文獻比較.

  與此同時，他們還研究了室外光照條件下PDA-t@PU三維太陽能蒸發器的實際表現。結果表明即使在陰云較多，光照條件不好的情況下（0.2標準太陽光強度），PDA-t@PU蒸發器的表觀SVG速率仍可達到1.37 kg m^-2 h^-1。此外，得益于優異的水輸送性能，PDA-t@PU蒸發器可以長時間處理模擬海水而不發生表面鹽沉積和蒸發效率下降。即使對于高鹽濃度的鹵水，蒸發器表面沉積的少量鹽也可以在停止光照的暗室條件下重新溶解而清除。這些結果都說明PDA-t@PU蒸發器具有非常高的實際應用價值，該研究為太陽能水蒸發器的多功能集成設計和協同增效提供了新的思路。

圖3 (a) PDA-t@PU蒸發器在室外的太陽能水蒸發表現 (2021年5月23日, 北京時間 9:00–19:00, 四川大學，成都). (b) PDA-t@PU蒸發器處理10 wt %氯化鈉溶液過程中的表面鹽沉積及暗室條件下的重新溶解. (c) PDA-t@PU蒸發器處理10 wt%氯化鈉溶液的循環表現. (F) PDA-t@PU蒸發器長時間連續處理模擬海水 (3.5 wt%氯化鈉) 的蒸發速率和能量利用率.

  以上相關成果分別發表在Journal of Materials Chemistry A (J. Mater. Chem. A, 2021, DOI: 10.1039/d1ta03335b), Composites Part B (Compos. Part B 2020, 202 108449) 上。論文的第一作者為四川大學化學學院碩士生黃丹，通訊作者為陳思翀教授。

  論文鏈接：

  https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2021/TA/D1TA03335B

  https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1359836820334983