一种全纤维气凝胶，具有快速毛细水补充能力，可实现稳定的太阳能驱动界面蒸发过程

《Separation and Purification Technology》：An all-fibrous aerogel with rapid capillary water replenishment for stable solar-driven interfacial evaporation

　　

严亮|创成|李振宇|吴思琪|安玉峰|刘艳华|张建斌|李殿明|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

为了解决全球淡水短缺问题，开发能够同时实现高效光热转换、快速补水和强抗盐结垢能力的太阳能界面蒸发器仍然是一个关键挑战。在这项研究中，采用多层次结构设计成功制备了一种聚丙烯腈/碳纳米颗粒（PAN/CNPs）复合材料，该材料添加了碳纳米颗粒（CNPs）并涂覆了聚吡咯（PPy）功能层，称为CPC-P。该材料以静电纺制的PAN/CNPs纤维膜作为三维支架，通过冷冻干燥形成多孔网络，然后通过原位聚合在纤维表面均匀涂覆聚吡咯层。这种结构使CPC-P气凝胶具有高达97%的太阳光吸收率（250至2500纳米范围内），并能在蒸发表面保持热量。在1太阳光照射（1 kW m^?2）下，CPC-P的蒸发速率为3.26 kg m^?2 h^?1，并且在高盐度盐水、极端pH值和染料污染水中仍能保持稳定性能。此外，它还能通过蒸发-冷凝过程有效净化油水乳液和染料废水。与最近报道的代表性界面蒸发器相比，CPC-P在蒸发性能和抗污染稳定性方面具有竞争力，显示出其在实际海水淡化和废水处理中的潜力。

引言

全球淡水短缺是二十一世纪面临的主要挑战。人口增长和工业发展增加了对水的需求，但污染也在增加，而且淡水分配不均，因此供应有限。因此，世界上近一半的人口有时会面临水资源短缺的问题，到2030年这一比例可能上升至约40% [1]、[2]、[3]。因此，海水淡化可以将海水转化为饮用水，被视为减少淡水短缺的一种实际方法 [4]、[5]。常见的方法如反渗透、多效蒸馏、多级闪蒸和电渗析已经大规模应用，但其广泛应用受到高能耗、高运行成本和潜在环境问题的限制。这些方法通常依赖电力和化石能源，因此长期来看成本较高且环境压力较大 [6]、[7]。太阳能是一种更清洁的选择，在许多地方都容易获取。近年来，太阳能驱动的界面蒸发（SIE）因主要在空气-水表面进行加热而受到欢迎，从而减少了进入水体内部的热量，提高了蒸发效率 [8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。

光热材料是SIE的关键组成部分，因为它们决定了水的蒸发速度以及系统的长期稳定性。优质的光热材料应能良好吸收阳光、高效将光转化为热能、易于与水结合，并在长时间使用和循环过程中保持化学和结构的稳定性 [14]。许多材料已被研究用于满足这些要求，主要包括等离子体纳米材料（金纳米颗粒 [15] 和银纳米颗粒 [16]）、半导体材料（TiN [17] 和MXenes [18]）、碳材料（石墨烯 [19]、碳纳米管 [20] 以及生物质衍生的碳 [21]）以及导电聚合物（如聚吡咯 [PPy] [22]）。碳材料和导电聚合物具有吸引力，因为它们具有优异的光热性能，且其结构和表面可以调节。碳材料因其宽光谱吸收、高温稳定性及抗化学腐蚀性而被选用。它们的表面通常含有羟基和羧基等官能团 [23]、[24]，因此能更好地与水结合，并为水通过毛细流动提供附着和移动的场所。导电聚合物则提供了另一系列优势。PPy在高性能蒸发器中得到广泛应用，因为它具有宽光谱吸收、高效光热转换、生物相容性、使用低成本单体以及易于制备等优点 [25]。将PPy添加到碳材料中可以提升整体性能，因为两者能协同作用：碳材料提供稳定的基底以强吸收光线，而PPy则形成连续的涂层或网络，有助于水在表面移动。因此，蒸发过程变得更高效且更稳定。

与平面设计相比，三维结构现在被广泛用于改进光热蒸发器。在这种设计中，PPy常与碳吸收剂（如碳纳米颗粒和石墨烯）结合，并装载在多孔支撑材料上形成连通的三维网络 [26]。气凝胶是这一应用的良好选择，因为它们具有高孔隙率、纳米级孔隙、大表面积、低密度和低热导率 [27]、[28]、[29]。因此，气凝胶既能承载碳材料和PPY，又能保持轻质和隔热性能。当碳材料和PPY加入气凝胶框架时，光捕获和水分传输能力可同时得到提升。碳和PPY增强了宽光谱太阳光吸收和光热转换效率，同时气凝胶减少了热量损失，并为水提供了通往蒸发表面的连续通道。例如，由碳纳米管和PPY构成的连续脉状导电网络可以提高光捕获效率并保持热量靠近表面，从而实现高蒸发速率 [30]。然而，在实际应用中，尤其是在海水中，仍存在两个问题：长时间蒸发过程中盐分会积累，堵塞孔隙，减少水分供应并导致光热性能下降 [31]；在长时间光照、浸泡和反复湿润-干燥循环下，PPY可能会膨胀、脱落或分解，从而损坏结构并使蒸发速率缓慢下降 [32]。

值得注意的是，PPy-碳气凝胶蒸发器在1太阳光照射下已显示出具有竞争力的蒸发性能。例如，一种还原氧化石墨烯/多壁碳纳米管/PPy（rGO/MWCNTs/PPy）气凝胶的蒸发速率为3.31 kg m^?2 h^?1，表观效率超过100%，这突显了设备级热管理对测量结果的重要影响 [33]。同样，一种通过定向冷冻制备的PPy@GO-海藻酸盐气凝胶在非光照期间通过去除盐分实现了4.66 kg m^?2 h^?1的蒸发速率，并具有长期抗盐能力 [34]。此外，盐结晶和盐管理仍然是盐水环境中界面蒸发器运行的核心实际限制，这进一步推动了开发兼具高性能和强抗盐能力的材料 [35]。

为了解决太阳能界面蒸发中的盐分积累和长期结构稳定性不足问题，我们开发了一种多步骤构建策略来制备纤维气凝胶蒸发器CPC-P。CPC-P气凝胶由静电纺制的PAN/CNPs纤维构成的三维多孔支架和通过原位氧化聚合引入的聚吡咯（PPy）涂层组成，两者共同实现了宽带光捕获、热量局部化和连续供水的协同优化。与传统块状多孔支撑材料不同，该设计采用静电纺制的PAN/CNPs复合纤维重建了全纤维三维支架，提供了连续的液体供应通道和更开放的气体释放通道。通过预先浸渍FeCl₃增强了光热层的界面稳定性，促进了PPY的均匀生长，并减轻了长时间光照和湿润-干燥循环过程中的涂层降解。在1 kW m^?2光照下，CPC-P的太阳光吸收率为97.0 ± 0.01%，蒸发速率为3.26 ± 0.10 kg m^?2 h^?1（n = 3），同时在高盐度盐水、极端pH值和染料污染水中保持稳定运行；蒸发-冷凝后收集的冷凝液中的离子浓度显著降低，证实了其有效的淡化性能。与同类先进界面蒸发器相比，CPC-P在蒸发性能、抗盐操作和耐久性方面具有综合优势。

章节摘录

实验材料

碳纳米颗粒（CNPs）、聚丙烯腈（PAN，M_w = 15,000）、聚（乙烯基吡咯烷酮）（PVP，M_w = 1,300,000）和吡咯（Py，分析级（AR），纯度≥99.0%）购自Aladdin Reagent Co., Ltd。N-二甲甲酰胺（DMF，AR，纯度≥99.5%）购自天津大茂化学试剂厂。戊二醛（≥25.0%，AR）购自上海中秦化学有限公司。六水合三氯化铁（FeCl₃·6H₂O，AR，纯度≥99.0%）、盐酸（HCl，AR，纯度98.0%）和氯化钠

结果与讨论

我们设计了一种CPC-P复合气凝胶，将宽带太阳光捕获与界面热量局部化相结合（图1a）。该设计依赖于一个重建的三维纤维框架，提供了丰富的光传输路径，以及均匀分布的CNPs和聚吡咯（PPy）涂层，增强了多孔网络内的太阳光捕获和光热转换效率。为实现这一架构，采用了多步骤制备工艺，结合了静电纺丝等技术

结论

总之，通过整合静电纺丝、冷冻干燥和原位聚合技术，我们成功制备了一种具有三维多孔网络的CPC-P复合气凝胶蒸发器。在这种蒸发器中，由静电纺丝纤维重建的气凝胶支架提供了快速补水和水蒸气释放的连续通道，而CNPs和PPY之间的协同作用确保了高效的光热转换效率和局部化热量分布。在模拟太阳光条件下

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：22405112和52563015）、陕西省教育厅科研计划基金（项目编号：24JK0444）、甘肃省教育厅高校产业支持计划项目（项目编号：2024CYZC-27）以及兰州市青年科技创新项目（项目编号：2024-QN-185）的支持。