AFM | 文献前沿 | 低成本、可规模化仿生光热蒸发织物

【研究背景】

由于人口激增和环境污染，使淡水短缺成为全球危机。传统的海水淡化和废水处理技术是能源密集型和昂贵的。因此，有必要开发一种低成本、低能耗的高效战略。光热界面蒸发一直被认为是缓解淡水短缺的一种很有前途的方法。受蜻蜓翅膀启发，通过可扩展静电植绒技术，在棉织物（CWF）表面构建了一个由液相氧化垂直排列CF（LO-VACF）组成的3D微阵列结构，用于高效水蒸发。

文章通讯作者为东华大学李发学教授和西交大宋建伟教授。相关内容以“Biomimetic Structural Design of Fabric for Low-Cost, Scalable, and Highly Efficient Off-Grid Solar-Driven Water Purification”为题在《Advanced Functional Materials》（JCR一区，TOP，IF2022=19.9）上发表。

【文章解读】

LO-CFs具有优异的光热效应和高导热性，可以快速将热量传递到界面水进行蒸发。

图1. LO-VACFs/CWF原理图

首先采用静电植绒技术，利用高压静电场在给定的基底上植入纤维的三维阵列结构。该团队使用静电植绒技术的“向上方法”（植绒方向向上）来制备LO-VACFs/CWF。上板和下板分别与高压线和地线接触，以产生均匀的电场力。因此，在高压电场下，末端具有相反电荷的LO-CF可均匀地插入上板上的基板中。

图2. LO-VACFs/CWF的制备和物理性能

LO-CFs微阵列结构不仅扩展了光散射途径，接近全方位的高光吸收，而且实现了快速的蒸汽逸出。此外，通道阵列结构还可以实现快速的离子扩散，避免太阳能蒸汽生成过程中的盐分积累。

图3. LO-VACFs/CWF的光热性能

特别地，结合LO-CF表面的纳米毛细管和LO-CF的微阵列结构，可以产生强的多尺度毛细管效应，以形成在LO-CF阵列中包含大量微弯月面和纳米级薄水层的3D水蒸发表面，从而产生更多的用于蒸发的水/空气界面。此外，得益于LO-CF的亲水性，薄水层的疏水状态发生了显著变化，导致蒸发焓降低。LO-VACFs/CWF蒸发器在1.0 sun下蒸发速率为2.21 kg m−2 h−1。

图4. LO-VACFs/CWF的蒸发性能测试

此外，得益于静电植绒技术的灵活可设计性，制作了宏观三维球形LO VACFs/CWF蒸发器，即使在3.5 wt.%NaCl溶液中8小时，也能获得2.73 kg m−2 h−1的高水分蒸发率。具有多个3D球体的离网水处理装置可以在真实环境条件下实现每天10.71 kg m−2的高纯水收集，在海水淡化和废水处理方面显示出很高的应用潜力

【文章总结】

受蜻蜓翅膀排列微观结构的启发，通过可扩展的纤维制造技术，制备了3D微阵列结构纺织品。在界面蒸发中，其良好导热性可实现对界面水的快速热响应。得益于独特的微阵列结构，其可将光路扩展，以获得高全向的光吸收和快速的热质传递，避免盐沉积。根据强的多尺度毛细管效应，在阵列中所形成了包含大量微弯月面和纳米级水薄层的3D水蒸发表面，提高了蒸发速率。1.0 sun蒸发速率为2.21 kg m−2 h−1。此外，由16个3D球体组成的装置在实际环境下每天可收集10.71 kg m–2的淡水。

虽然弯月面理论（Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2108586.）和低成本纺织品用于界面蒸发（Adv. Sci.2021,8, 202101727.）的创新点已被提出，但是通过蜻蜓翅膀启发的三维结构设计是较为新颖的。如何将这种低成本可规模化的蒸发器真正用于界面蒸发是值得进一步研究和讨论的。

【文献来源】

Y. Tian, R. Song, Y. Li, R. Zhu, X. Yang, D. Wu, X. Wang, J. Song, J. Yu, T. Gao, F. Li, Biomimetic Structural Design of Fabric for Low-Cost, Scalable, and Highly Efficient Off-Grid Solar-Driven Water Purification. Adv. Funct. Mater. 2024, 2309470.

https://doi.org/10.1002/adfm.202309470

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