基于激光纹理模板复制两步法制备CNTs@PDMS用于高效净水与热电性能

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Two-step fabrication of CNTs@PDMS via laser-textured template replication for highly efficient water purification and thermoelectricity

　　

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  通过以皮秒激光加工铝模板（LT-CNTs@PDMS）进行翻模成型，制备了一种CNTs@PDMS复合太阳能界面蒸发器。
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  LT-CNTs@PDMS蒸发器实现了淡水收集和发电。
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  该复合材料具有超过95%的宽带光吸收率和约81%的光热转换效率。
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  在1 KW·m^-2照射强度下，蒸发通量达到2.43?kg·m^-2·h^-1，且在80?h循环中表现出稳定的性能。

引言

地球拥有丰富的水资源，但其中绝大多数为高盐度海水。在剩余的约2.5%淡水中[1]、[2]，大部分冻结于极地和高山冰盖之中。这种特定的物理状态严重限制了人类直接提取和利用的可能性，导致全球可获得淡水资源大量短缺[3]、[4]。面对日益严峻的淡水短缺危机，海水淡化技术被视为一种极具前景和可持续性的水资源增补方案[5]、[6]。然而，现有的商业淡化方法——无论是膜基法（如反渗透[7]、[8]和电渗析[9]、[10]），还是热法（如多级闪蒸[11]、多效蒸馏[12]和汽压缩[13]）——通常受到高运行成本和严重依赖化石燃料的限制。在此背景下，太阳能驱动的海水淡化技术以其高效、经济、环保的特性，与全球可持续发展的战略需求高度契合。基于界面蒸发器的太阳能淡化技术[14]、[15]、[16]通过在水-汽界面实现局部加热，显著提高了光热转换效率和产水性能，已成为该领域的研究热点。

目前，用于界面蒸发器的光热材料种类繁多，包括等离子体金属[17]、窄带隙半导体[18]、碳基材料[19]、[20]、[21]和聚合物[22]、[23]。其中，聚合物纳米复合材料凭借其高比表面积、化学稳定性、耐腐蚀性和可设计结构[24]、[25]，成为界面蒸发器的理想材料。界面蒸发器的制备工艺同样多样。常用技术包括3D打印[26]、光刻、化学蚀刻[27]、[28]和电纺[29]、[30]。然而，3D打印技术受限于可用基底和结构精度不足[31]、[32]。虽然光刻可以精确控制结构的尺寸和形状，但加工效率低且成本高。化学蚀刻成本效益高，但依赖强酸或强碱，污染风险高，且结构可控性有限[33]。电纺技术则受限于生产效率低[34]。因此，为满足基于聚合物纳米复合材料的界面蒸发器的制备需求，开发新型高效加工技术势在必行。

由于激光具有精度高、热影响区小、能耗低、环保以及可加工材料范围广等优势，已在微/纳米结构制造领域得到广泛应用。Zhao等[35]利用激光处理技术对天然树皮进行碳化改性，诱导形成具有优异光吸收和水传输性能的多孔碳基结构，最终在1?kW·m^-2照射强度下实现了高达2.21?kg·m^-2·h^-1的界面蒸发速率。Jang等[36]采用CO₂激光加工技术在木材基底表面成功诱导形成石墨化碳层，精确构建了规则的微米级波纹沟槽结构。通过增大可用的蒸汽蒸发面积并显著增强器件的抗盐结晶能力，该研究成功获得了优异的产水速率2.29?kg·m^-2·h^-1。Shatar等[37]采用飞秒激光织构技术在太阳蒸馏器PMMA盖板上构建多孔线性微结构，在水蒸气作用下触发了Cassie-Baxter到Wenzel的润湿转变，实现了膜状冷凝，使太阳蒸馏器的淡水产量提高了15.4%（清洁织构表面）和23.1%（未清洁织构表面），且改性表面具有良好的循环稳定性。尽管激光微加工可有效优化太阳能界面蒸发器的微结构和蒸发性能，但该技术在工程应用方面仍存在不可避免的不足。高设备成本、复杂操作流程以及有限的大面积制造能力，限制了其进一步的工程化应用。

本工作提出了一种两步法制备激光处理CNTs@PDMS复合材料（LT-CNTs@PDMS）界面蒸发器的方法，利用激光加工的高长径比铝模板通过翻模成型（REM）工艺完成制备。研究了不同CNTs负载量对界面蒸发器性能的影响。全面评估了激光加工驱动的表面形貌、光学特性、光热转换和表面润湿性的变化。还进一步评估了不同光照强度、盐度和水源条件下的蒸发速率。本工作的研究成果在海水淡化和能源领域展现出广阔的应用前景。

章节摘要

材料与试剂

样品制备所用的PDMS预聚物DC-184A及其配套固化剂购自美国陶氏康宁公司。CNTs购自瑞江金属材料有限公司。商用铝板（2?cm × 2?cm × 0.2?cm），标称密度为2.6-2.8?g/cm³，作为实验基底使用，购自得力五金有限公司（中国）。无水乙醇和去离子（DI）水由天津福宇精细化工有限公司和丹阳汇丰日化

结果与讨论

本实验中，制备了五组LT-CNTs@PDMS样品，CNT负载量分别为0.01、0.05、0.1、0.2和0.3?g。在1?kW·m^-2照射强度下进行海水蒸发实验，相关结果如图S3所示。测试表明，随着CNT负载量的增加，材料的蒸发速率先升高后降低。其中，CNT含量为0.1?g（5.7?wt%）的样品表现出最佳性能，实现了

结论

综上所述，我们成功开发了一种具有高性能蒸发特性的两步法制备LT-CNTs@PDMS复合蒸发器。通过结合优异的光吸收、低热导率以及沟槽对入射光的多次反射和捕获，显著减少了热耗散，从而将热能集中汇聚于蒸发面。在1?kW·m^-2照射强度下，LT-CNTs@PDMS表现出>98%的宽带光吸收，蒸发

作者贡献声明

Wei Chen：写作——审阅与编辑。Dongkai Chu：写作——审阅与编辑、项目管理、概念化。Jianqing Li：数据整理。Haiyuan Zhang：写作——审阅与编辑、数据整理。Xinxin Lv：写作——初稿、方法论、数据整理。Lei Kou：写作——审阅与编辑。Peng Yao：写作——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本论文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

感谢国家自然科学基金（No. 52505499）和中国国家重点研发计划[Grant No. 2024YFB4608903]提供的资金支持。

Wei Chen|Jianqing Li|Dongkai Chu|Xinxin Lv|Haiyuan Zhang|Peng Yao|Lei Kou