随着工业化和城市化的发展，淡水资源紧缺的问题日益严重，已经成为了限制人类社会发展的重要因素之一。太阳能界面水气转换（Interfacial Solar Steam Generation，ISSG）技术作为一种新兴的海水淡化和污水处理方法，利用分布广泛、清洁的太阳能作为能源进行光热转换，并将太阳能转换来的热限制在水气界面，大大减少了热的损失，从而显著提高了水蒸气的产生效率。因此ISSG技术是一种低成本、高效、清洁的海水淡化和污水处理方法，有望缓解淡水资源短缺的压力，近年来受到科研界和工业界的广泛关注。其中，太阳能蒸发器中光吸收层的设计和构筑是ISSG技术的核心和关键，目前已经发展出基于金属纳米粒子（Nanoparticles，NPs）、氧化石墨烯、导电聚合物和Ti3C2-MXene的二维薄膜或三维复合材料。相比起其他光热材料制备的光吸收层材料，以聚多巴胺（polydopamine，PDA）为光热材料的光吸收层具有优异的稳定性，使其在ISSG领域具有较高的应用前景，但是如何便捷地实现这种材料的大规模制备仍是一项挑战。
PDA由多巴胺（dopamine，DA）氧化自聚合而来，这个过程要求在碱性和有氧的条件下进行，因此无论容器大小，将基质材料置入DA溶液后仅有基质外层能够接触氧气而实现PDA涂层的涂覆，且如果水中溶解氧不足也会影响基质外层PDA的合成。针对这一挑战，华南师范周国富教授团队唐彪研究员和张振副研究员课题组提出了一种简易的PDA涂层的合成方法，并成功将PDA涂覆于棉布表面，实现了具有优异性能的光热棉布的大规模制备。如图1，该团队以廉价且绿色环保的柔性棉布（Cotton Fabric, CF）为基体材料，使用浸涂法结合高温干燥处理的方法合成了大规模（如图2所示）的PDA涂覆的棉布（P@CF）。P@CF具有较好的紫外可见光吸收效率，但对近红外光吸收有限，因此该团队进一步利用DA较好的还原性，引入DA作为还原剂让P@CF吸附并还原Ag+为AgNPs，构建Ag-P@CF。PDA与AgNPs的耦合使Ag-P@CF对太阳光的吸收效率大大增强，然而AgNPs裸露于空气中时很容易被氧化，稳定性有限，所以该团队以相同的方法再镀上一层PDA作为保护层，获得P-Ag-P@CF。
图1. P-Ag-P@CF的制作过程示意图
图2. 大规模P@CF
为了测试光热棉布在ISSG应用中的工作效率，该团队使用了一种具有二维水通道设计的太阳能蒸发器，在工作时，水体通过由水运输介质无纺布形成的二维水通道被快速运输至聚苯乙烯（PS）泡沫的上表面，并进一步传输至亲水的光热棉布处。光热棉布吸收太阳光并转化为热能，将水分加热并蒸发，产生水蒸气。PS泡沫的低热导率与蒸发器和水体间的非直接接触设计，可以有效降低向下热传导所引起的能量损失，大大提高水蒸气的生产效率。
图3. （a）蒸发器的整体结构设计示意图；（b）蒸发器的俯视图；（c）蒸发器的侧面透视图
应用上述太阳能蒸发器研究发现，P-Ag-P@CF在应用测试中表现出了优异的性能，包括：
（1）出色的光吸收和升温效率。如图4，由于PDA分子和AgNPs对太阳光光吸收和光热转换的协同增强效应，P-Ag-P@CF具有出色的太阳光吸收效率，在波段范围300-1400nm内的平均吸光效率可达93 %以上，并且在一个太阳光辐射仅300 s后，表面温度由15 °C迅速升温至41.1 °C。
图4. （a）原始和改性棉布的紫外-可见-近红外光谱；在1个太阳光强照射下棉布的表面温度（b）和红外成像图（c）
（2）突出的蒸发效果。如图5，P-Ag-P@CF对去离子水和海水的蒸发速率分别可达1.378和1.337 kg m?2 h?1，相应的光热水气转换效率为90.2 %和87.3 %，这与同类型的二维薄膜相比，处于领先的水平。此外，类似高效的蒸发性能同样表现在对其它水资源类型的测试中，包括模拟污水、工业废水以及乳液。
图5. 在1个太阳光强照射下P-Ag-P@CF对不同浓度的盐水和中国南海的海水的水蒸发速率和光热水气转换效率图
（3）较好的工作效率稳定性和耐用性。如图6，在对实际海水的连续8小时蒸发测试中，效率由87.1 %降至79.8 %，降幅仅约7 %，连续10天的耐用性测试中，平均水蒸发速率可达到1.334 kg m-2 h-1，相应的能量效率为87.2 %。
图6. P-Ag-P@C对中国南海收集的海水的（a）连续8小时的蒸发测试（插图为测试后放置一夜的P-Ag-P@CF的图片）和（b）耐久性测试（10个循环，每天一次，插图为水质量变化曲线）的蒸发速率和光热水气转换效率图
（4）高效的抗盐表现。如图6a插图所示，P-Ag-P@CF在连续8小时海水淡化后表面有盐结晶的析出，但放置过夜后，正如图7抗盐实验结果所示（0.5 g的氯化钠晶体在7 h内被完全溶解），盐结晶被溶解消失，并不影响P-Ag-P@CF在第二天中的使用。P-Ag-P@CF优异的抗盐表现主要归功于PDA纳米颗粒在CF表面的原位形成（如图8），将适当的纳米结构引入微结构已被证明是改善水运输性能的有效方法。
图7. P-Ag-P@CF的抗盐析实验图
图8. 棉布（a-d）、P@CF（e-h）、Ag-P@CF（i-l）和P-Ag-P@CF（m-p）的照片和不同放大率的SEM图像
（5）卓越的净化效率。对海水中四种主要金属离子Na+、K+、Mg2+和Ca2+的净化效率超过99.9 %，对模拟工业废水中Cu2+、Cr6+和Fe3+的净化效率接近100 %。
图9. P-Ag-P@CF对（a）海水中主要的四种金属离子（Na+、K+、Mg2+和Ca2+），和（b）模拟工业废水（Cu2+、Cr6+和Fe3+）的净化效果图
因此本文通过浸涂法结合高温干燥处理的方法合成可简便大规模制备的P@CF，并引入DA为还原剂将Ag+吸附并还原至P@CF上构建Ag-P@CF，最后再以相同的方法构筑外层PDA层获得P-Ag-P@CF。P-Ag-P@CF具有出色的升温性能、突出的蒸发效果、较好的工作效率稳定性和耐用性、高效的抗盐表现、以及卓越的净化效率，使其拥有巨大的潜力可以实现在ISSG技术中的广泛应用，为社会提供高效、快速、安全的纯净水供应方案。该研究成果以A Facile Approach to Fabricate Sustainable and Large-Scale Photothermal Polydopamine-Coated Cotton Fabrics for Efficient Interfacial Solar Steam Generation为题发表在Industrial & Engineering Chemistry Research上。该论文的第一单位为华南师范大学华南先进光电子研究院，论文第一作者为2019级硕士生徐佑森，文章通讯作者为张振副研究员、唐彪研究员和于得海教授。本论文得到广东省自然科学基金面上项目、佛山市教育局高校教师特色创新研究项目、广州市基础研究计划基础与应用基础研究项目和闪思科技(ScienceK)等大力支持。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.iecr.2c03477
下载：A Facile Approach to Fabricate Sustainable and Large-Scale Photothermal Polydopamine-Coated Cotton Fabrics for Efficient Interfacial Solar Steam Generation