《Journal of Membrane Science》：In-situ growth of CNTs on porous carbon fibers for solar-driven enhanced interfacial evaporation
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海水淡化与废水处理中光热蒸发器的研究进展。采用多流体电纺结合热处理与气相沉积制备Janus结构Porous-Co-CNTs/C纤维蒸发器，通过等离子体改性实现超亲水顶层的广谱光吸收（97.2%转换效率）和亲疏水梯度导水，底层碳纤维提供热绝缘与浮力支撑。实验表明其蒸发速率达1.46 kg m?2 h?1，兼具海水淡化与有机染料、酸碱废水处理能力，为高效可持续的水处理技术提供新方案。
李殿明|田荣|梁彦|刘宁|张建斌|刘彦华|冯立邦
兰州交通大学材料科学与工程学院，中国兰州730070
摘要
在全球水资源危机日益严重的背景下，太阳能驱动的界面蒸发技术因其出色的能量转换效率、可持续性优势和显著的成本效益而被广泛认为是海水淡化的一种非常有前景的替代方案。在这项研究中，通过多流体电纺结合热处理和蒸汽沉积技术，成功制备了一种具有Janus结构的多孔钴碳纳米管/碳（Porous-Co-CNTs/C）纤维蒸发器。该蒸发器具有独特的设计：改性的碳纳米管具有亲水性，作为吸光层；而相对疏水的碳纤维则作为隔热层。这种现象归因于碳纳米管卓越的光热转换能力以及多孔碳纤维的热局部化特性。实验结果显示，在1太阳辐照强度（1 kW m-2）下，蒸发速率为1.46 kg m-2 h-1，能量转换效率高达97.2%。此外，该蒸发器对有机染料和酸性/碱性废水也表现出良好的处理效果。结合其长期稳定性，这些发现凸显了Porous-Co-CNTs/C Janus纤维蒸发器在海水淡化和废水处理应用中的巨大潜力。
引言
淡水短缺已成为人类社会可持续发展的重大挑战，尤其是在全球工业化加速和水质恶化的背景下[1]、[2]、[3]、[4]。目前，包括多级闪蒸（MSF）[5]、反渗透（RO）[6]和低温多效蒸馏（MED）[7]、[8]在内的海水淡化技术已成为解决全球水资源危机的关键方案。随着绿色发展理念的兴起和广泛应用，太阳能驱动的蒸发技术因其可持续性特征而受到了广泛关注。这项技术有潜力显著改善海水淡化和废水处理效果，符合利用可再生能源的发展趋势[9]、[10]。然而，传统的太阳能蒸发系统在效率方面存在固有的局限性，主要是由于吸收的热量容易通过热辐射、传导和对流等方式散失。在这种情况下，界面太阳能蒸发技术作为一种下一代水处理技术应运而生。该技术具有高效率、节能、环保、便捷和性能可靠等优点。
在界面太阳能蒸汽生成系统的背景下，蒸发器设计的优化必须围绕两个基本要素展开：提高光热转换效率和优化水传输路径[11]。现有研究主要集中在碳基材料（如炭黑[12]、石墨烯）和金属纳米材料[13]、[14]、[15]的复合应用上，以构建具有宽光谱吸收功能的复合材料（如复合纤维材料[16]、金属纳米杂化材料[17]）。值得注意的是，近年来通过实施Janus结构设计，蒸发表面的润湿性调节这一影响水传输效率的关键参数取得了显著进展[18]。杜等人[19]提出了一种无溶剂策略，使用碳化钨/碳（WC/C）纳米复合材料作为太阳能吸收剂。这种材料均匀地固定在棉织物基底上，从而形成具有优异性能的水蒸发功能膜层。碳材料的使用，结合碳纳米片的优异吸光性能以及碳化钨纳米颗粒的超细尺寸和分散性，使设备能够吸收整个太阳光谱（200-2500 nm），从而确保最佳的蒸发效果。艾等人[20]利用亲水性尼龙膜封装技术，将钴纳米粒子改性的竹结构碳纳米管（Co@C/NCNT）制成具有Janus特性的光热功能膜。该膜表现出显著的非对称润湿行为和多源光捕获能力。研究团队进一步验证了其在废水处理中的应用，实现了在染色废水和重金属废水中的高保留率和长期稳定性。
在这项研究中，基于多流体电纺技术和热处理工艺，成功制备了Porous-Co-CNTs-Co/C纤维的Janus蒸发系统。其中，顶层采用化学气相沉积（CVD）方法[21]在原位生长碳纳米管，并通过等离子体表面改性获得超亲水性。底层是疏水的碳纳米纤维支撑层，可以在水下形成稳定的空气膜层，具有隔热和浮力支撑的双重功能。Janus结构的非对称润湿性和多级孔隙设计使得从疏水层（底部）到光热层（顶部）的方向性水传输以及局部热管理实现了传质和热绝缘性能的协同优化。实验结果表明，在标准太阳辐照强度（1 kW m-2）下，系统的蒸发速率为1.46 kg m-2 h-1，从而为高性能太阳能界面蒸发设备提供了一种新的设计策略。
材料
聚丙烯腈（PAN，分子量：150,000）和乙酰丙酮钴（Co(acac)2（分子量：61.76）购自Aladdin Reagent Company；N,N-二甲基甲酰胺（DMF，分析纯度（AR），≥ 99.5%）和氯化钠（NaCl，AR，≥ 99.5%）由天津大茂化学试剂厂提供；聚苯乙烯（PS，分子量：190,000）、氢氧化钠（NaOH，AR，≥ 99.5%）和硫酸（H2SO4，AR，98.08%）购自中国药科大学化学试剂有限公司；孔雀石绿（MG）、甲基橙
结果与讨论
在本研究中，通过电纺技术制备了Porous-Co-CNTs/C蒸发装置，如图1和S1所示。通过预氧化、碳化、气相沉积和等离子体表面处理等关键步骤，成功构建了具有高效光热转换性能的蒸发装置结构。在热处理过程中，PS的热解形成了多孔纤维结构
结论
总之，我们通过增强光吸收和抑制热损失的协同效应，证明了Janus结构太阳能蒸发器的高性能。蒸发器上部的碳纳米管具有宽光谱光吸收和反射能力，提高了光热转换效率。同时，Janus结构形成的润湿梯度实现了定向水传输，而多孔框架和碳纳米管网络的结合
CRediT作者贡献声明
李殿明：撰写 – 审稿与编辑，监督，研究。冯立邦：资金筹集。张建斌：资金筹集。刘彦华：资金筹集。梁彦：研究。刘宁：研究。田荣：撰写 – 审稿与编辑，原始草稿撰写，方法学研究，概念构思
数据可用性
数据可应要求提供。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：22405112和52303056）；甘肃省教育厅的校企合作支持计划项目（项目编号：2024CYZC-27和2021CYZC-24）；兰州交通大学青年学者科学基金（项目编号：2022004）；以及兰州交通大学的天佑青年人才提升计划的支持。
