寧波材料所構建碳納米管薄膜新方法 有望解決水資源短缺問題

8月21日，記者了解到，基于前期發展的一種水-空界面毛細力誘導擠壓，中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員陳濤團隊構建了大面積、可任意轉移的碳納米管薄膜的方法（Chem. Mater. 2016, 28, 7125；ACS Nano 2019, 13, 4, 4368-4378），最近，該團隊通過毛細力轉移的方法，在水空界面上將碳納米管薄膜和商業用打印紙原位復合，構建了一種柔性、可剪裁且可圖案化的非對稱碳納米管復合紙。

受到大自然中樹木的結構的啟發，樹木能夠在三維方向上生長，并具有分層的葉子和根用來增強蒸騰作用，研究人員進一步將這種圖案化的非對稱碳紙經過特定的剪裁、組合成3D樹形結構，并將其運用于光熱水純化（如圖1）。結果發現，這種3D樹形結構的光熱蒸發器相比較2D平面結構具有一個更強的光熱水蒸發能力，其海水純化能力最高能到達2.38kg/m2/h（Solar RRL 2019, DOI: 10.1002/solr.201900004）。

水資源短缺是目前面臨的一個全球性問題，對地球上豐富的海水進行淡化則是解決水資源短缺問題的一個重要途徑。但傳統的海水淡化往往需要高能量消耗，在一些能源短缺的地區難以實現，因此，亟需一種綠色、高效、可持續的海水淡化方法來緩解上述危機。

太陽光驅動的界面光熱水蒸發，由于其可以通過在遠遠低于水沸騰的溫度下產生蒸汽來進行海水純化，在過去幾年中引起了越來越多的關注。但是目前大多數的光熱純化都集中在二維（2D）界面汽化平臺上，其存在立體空間利用效率低、熱損失高等問題。因此，在一個受限制的系統中，將2D光吸收器單元構建成三維（3D）框架被認為是提高凈化水收集能力的最為直接有效的方法之一。

圖1 3D樹形結構光熱蒸發器設計與光熱蒸發性能

然而，當處于一個不受限的系統中時，2D結構有時比3D結構具有更大的優勢。因此，怎樣簡單、快速地實現光熱蒸發器2D/3D結構的轉換來適應不同的環境仍然面臨挑戰。該團隊通過吡咯單體在纖維素紙表面原位氧化聚合得到聚吡咯雜化紙（PPyP），并利用對PPyP微觀/宏觀層面的協同調控，實現了最佳的光熱水純化速度。相比于傳統固定的3D結構，該PPyP可實現2D/3D結構的相互切換（如圖2），并具有很好的切換穩定性，從而可以更好地適應不同的應用環境（ACS Appl. Mater. Inter. 2019，11，15498-15506）。

圖2 2D/3D PPyP相互切換

基于上述研究，最近，研究人員通過在棉織物表面可控的氧化聚合吡咯單體，制備得到了一種低價、大面積且具有機械穩定性、可洗滌和可縫制的聚吡咯棉布（PCM，如圖3）。令人驚喜的是，此光熱織物是通過濕法制備，展示了其能夠大規模生產的潛力，且成本低至2美元/米2左右，具有相當強的商業競爭力。隨后，受到植物的吸水、蒸騰行為及其多級結構的啟發，并結合織物特有的可裁剪性及可縫制性，獲得了一種具有多級結構的3D“植物”，實現了高效的“out-of-plane”光熱蒸發。在一個太陽的強度下，實驗室環境中，這種3D的PCM最高可實現3.37kg/m2/h的海水純化速度。

圖3 低價、大面積、高機械穩定性、可洗滌和可縫制的聚吡咯棉布用于海水淡化

此外，該光熱蒸發器具有一個很強的排鹽性能，能夠在夜間將白天積聚的鹽通過PCM中豐富的毛細通道擴散到水相中，從而保證其長期穩定的使用。在戶外實驗中，在多云的天氣下，7個小時內，每平方米該3D PCM能夠純化約5.39kg海水，且可直接達到WHO飲用標準（各種鹽離子去除率保持在99.9%以上）。更有趣的是，基于3D PCM的光熱蒸發器，甚至可以從固體基質（沙子等）中提純海水或其他不可飲用的水，顯示出了其在某些極端條件下的巨大應用潛力。相關工作近期發表在Nano Energy 2019, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104002。

以上工作得到國家自然科學基金（51803226, 51573203）、中科院前沿科學重點研究項目（QYZDB-SSW-SLH036）、博士后創新人才支持計劃（BX20180321）、中國博士后科學基金（2018M630695）及寧波市科技局（2018A610108）等的資助。