Desalination | 文献前沿 | 快速激光打印成本效益高、可扩展和柔性的碳基织物用于太阳能水蒸发

【研究背景】

太阳能界面水蒸发是解决淡水短缺问题的一种可持续、经济、碳中和的方法。然而，大多数太阳能水蒸发器都面临着可扩展性、灵活性和理论蒸发极限等方面的挑战。此外，水蒸发器在恶劣的水环境中稳定性差，成本高，严重制约了水蒸发器的工业发展潜力。织物作为柔性纤维材料，具有成本低、可再生和耐久性高等优点。内部复杂的网络结构往往赋予其丰富的孔隙率、大表面积和优异的吸水性。此外，织物重量轻，易于制备和运输，使其成为太阳能水蒸发系统大规模应用的理想候选材料。然而，传统织物在整个光谱范围内具有较低的固有光吸收。尽管通过表面功能化可以显著增强光热性能，但也增加了材料制备的复杂性，并可能降低织物的机械性能。因此，同时优化织物基光热材料的稳定性、环境抗性和成本效益仍是具有挑战性的。

针对以上关键问题，莆田学院钱永强博士与福建师范大学陈鲁倬教授合作，报道了一种利用激光打印技术快速制备的大面积黑色碳粉织物（BTF）用于太阳能水蒸发。该BTF膜具有成本低（3.875 $ m-2）、制备时间快（<0.2 h）、可批量生产等优点。得益于碳黑纳米颗粒的高光吸收率和织物纤维中丰富的亲水性位点，光热转换效率从12.0 %提高到85.3 %，水蒸发焓降低到1849.8 J g-1。此外，该BTF膜实现了高达99 %的海水淡化效率以及优异的有机污染物去除性能。更重要的是，该BTF的成本效益高达389.7 g h-1$-1，表明其具有实际应用的潜力。本研究为碳基织物太阳能水蒸发器在海水淡化和净化中的实际应用提供了广阔的前景。

相关内容以“Rapid laser printing of cost-effective, scalable and flexible carbon-based fabrics for solar water evaporation”为题在国际海水淡化领域著名期刊《Desalination》(中科院一区，IF=8.3)上发表。陈鲁倬教授为唯一通讯作者。论文第一作者是钱永强博士，共同第一作者是硕士生程万熠，莆田学院为第一单位。该研究得到国家自然科学基金，福建省青年拔尖人才计划和莆田学院高层次人才创业基金等的支持。

【图文速递】

方案1. (a)受生物结构启发的BTF基界面太阳能水蒸发器示意图。(b)通过粘合树脂在织物纤维表面附着黑色碳粉用于有效的光热转换。(c)利用水分子与织物亲水性基团的相互作用促进水的连续传输。

图1. (a)激光打印制备BTF膜的工艺流程图。(b) BTF膜的光学照片，尺寸为18厘米×16厘米。(c)原始织物的表面SEM图像。(d)织物纤维的高倍扫描电镜图像。(e) BTF膜的表面SEM图像。(f)涂覆碳黑颗粒的织物纤维的SEM图像。(g) BTF膜的横截面SEM图像，显示其双层结构。

图3. (a) BTF基蒸发器原型示意图。(b) BTF基蒸发器在不同太阳光强度下的表面温度变化。(c)蒸发系统在不同太阳光强度下的质量损失。(d) BTF基蒸发器在不同太阳光强度下达到温度稳定时的红外图像。(e) BTF基蒸发器在不同太阳光强度下表面水蒸气的光学照片。(f) BTF基蒸发器在不同太阳光强度下的蒸发速率和太阳能-水蒸气转换效率。(g)与纯水相比，BTF基蒸发器在不同太阳光强度下的蒸发速率和相应的增强因子。(h) BTF基蒸发器在10个周期内的蒸发速率。

图4. (a)太阳能水蒸发器在初始和蒸汽凝结时的光学照片。(b)室外实验期间9:00 - 17:00的太阳光强度、环境温度和环境相对湿度。(c)室外试验时BTF蒸发器系统中水的质量变化。(d) BTF蒸发器获得的模拟海水和冷凝水的离子浓度。(e) BTF蒸发器得到的冷凝水的离子去除率。(f)罗丹明B溶液通过BTF蒸发器纯化前后的吸收光谱。

【论文总结】

本文利用激光打印技术快速制备了由黑色碳粉和无纺布组成的大面积、柔性、高性价比的光热织物。由于其优异的光吸收性、高光热转化率和优异的亲水性，该BTF膜被集成到一个稳定高效的蒸发器原型中。这项研究为开发旨在实现太阳能海水淡化的低成本、便携和可扩展的设备提供了有价值的见解。

1、BTF复合膜克服了原始织物较差的光吸收，同时也提高了薄膜在恶劣水环境中的耐久性。特别是，基于BTF的蒸发器显著降低了水的蒸发焓。

2、得益于黑色碳粉和亲水纤维织物的协同效应，基于BTF的蒸发器在一个太阳光强度照射下的蒸发速率为1.51 kg m-2 h-1，具有高成本效益。

3、BTF复合膜在海水淡化和有机污染物去除方面表现出色，使其成为实际和工业应用的理想选择。

论文信息：

Y. Qian, W. Cheng, and L. Chen, Rapid laser printing of cost-effective, scalable and flexible carbon-based fabrics for solar water evaporation. Desalination. 2025, 597，118394.

https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.118394