受自然界水迴圈過程的啟發, 利用太陽光碟機動水蒸發獲得清潔淡水受到了研究者們的廣泛關注. 在自然蒸發條件下, 太陽光的利用率較低, 實際蒸發較慢. 研究者們嘗試將具有良好光吸收和光熱轉化能力的光熱膜材料應用到太陽光碟機動蒸發體系中, 以提高蒸發效率. 以往研究表明, 具有可控微結構的粗糙表面能夠有效降低對光的漫反射率, 實現太陽光全波段的有效吸收, 有利於實現高效的水蒸發. 但是, 表面微結構的構築方式較為複雜, 往往需要特殊設備或手段輔助完成, 由此提升了膜材料製備的難度及成本.
據此, 中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員江河清帶領的膜分離與催化團隊提出, 利用不同維度納米材料的複合策略, 實現對光熱膜表面微結構的調控, 從而提高光捕獲效率, 獲得理想的光熱蒸發效率. 研究人員通過將二維石墨烯與一維碳納米管二者複合, 實現了對單一組分有序結構的擾動, 增加了光熱膜的表面粗糙度. 通過這種表面微結構的優化, 太陽光光譜範圍內的漫反射能夠降低到4.7%以下, 光照下的膜表面溫度可達77℃. 無序的堆積增大膜內孔隙率, 有利於水分子在膜內的傳輸及擴散. 相比於自然蒸發, 基於該種納米複合光熱膜的蒸發過程效率提高了190%, 太陽光利用率超過80%. 在實際應用中, 該研究提出的納米複合光熱膜不僅能夠在含有酸, 堿以及機汙染物的類比水樣中保持性能穩定, 同時能夠在不同含鹽量的海水中加快水蒸發, 展現出了優異的淡水生產能力. 且此類光熱複合膜的製備過程簡便, 可以構築在不同的多孔基底上. 該研究成果有望促進太陽光碟機動製備清潔淡水的應用, 實現高效, 綠色, 可持續的海水淡化以及應急條件下的淡水保障.
相關研究成果發表在Journal of Materials Chemistry A上. 該研究得到了國家自然科學基金, 山東省自然科學基金及青島市民生科技計劃項目的資助.
圖1. 基於二維石墨烯與一維碳納米管的納米複合光熱膜製備示意圖
圖2. 線上光熱蒸發測試系統 (a) 及光熱膜材料的太陽光碟機動促蒸發性能測試
