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研究背景

由于快速城市化、人口增長(zhǎng)和氣候變化的加速影響，全球?qū)Φ男枨罄^續(xù)上升。許多地區(qū)，特別是中東和北非等干旱和半干旱地區(qū)，嚴(yán)重缺水，這促使海水淡化技術(shù)的大規(guī)模部署。在最廣泛使用的方法中，反滲透和熱蒸餾仍然是主要的選擇。然而，這些技術(shù)是能源密集型的，往往依賴(lài)化石燃料，導(dǎo)致高昂的運(yùn)營(yíng)成本和大量的碳排放。這就產(chǎn)生了對(duì)可持續(xù)、高能效、可適應(yīng)離網(wǎng)或資源有限社區(qū)的替代凈水策略的迫切需求。

太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的界面蒸發(fā)最近已經(jīng)成為分散式海水淡化的一種很有前途的替代方案。通過(guò)直接利用太陽(yáng)能在空氣-水界面蒸發(fā)水分，這種方法有效地將鹽和其他污染物留在身后[5]。與傳統(tǒng)的整體加熱過(guò)程不同，界面蒸發(fā)采用局部加熱，光熱材料將太陽(yáng)能集中在界面上，而不是將其分布在整個(gè)水體積中。這種方法減少了散裝和周?chē)h(huán)境的熱損失，從而實(shí)現(xiàn)了卓越的能源效率。事實(shí)上，已有超過(guò)90%的蒸發(fā)效率的報(bào)道，使界面太陽(yáng)能蒸發(fā)成為低成本、環(huán)保水凈化的一個(gè)有吸引力的候選方案。例如，離子共價(jià)有機(jī)骨架(ICOF)已被證明在1個(gè)太陽(yáng)光照度下通過(guò)降低水的蒸發(fā)熱而實(shí)現(xiàn)高達(dá)3.55 kg m?2 h?1的蒸發(fā)速率，同時(shí)保持廣譜光吸收。

相關(guān)成果以”Zeolite nanosheet–carbon composite films for high-efficiency and salt-resistant interfacial solar evaporation”為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊《Desalination》上。（JCR一區(qū)，中科院二區(qū)，IF＝9.8）

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研究結(jié)論

在這項(xiàng)研究中，我們開(kāi)發(fā)了一種沸石納米碳片(ZNC)復(fù)合膜，并對(duì)其作為一種高效耐鹽界面太陽(yáng)能蒸發(fā)器進(jìn)行了系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。通過(guò)一步溶液包覆和熱解過(guò)程制備后，得到的復(fù)合材料在其整體結(jié)構(gòu)中集成了許多關(guān)鍵功能，包括寬帶光吸收、親水傳輸和被動(dòng)抗鹽。與傳統(tǒng)的碳膜相比，這種ZNC薄膜結(jié)構(gòu)提供了更高的表面粗糙度和孔隙率，從而改善了太陽(yáng)的吸收性能和蒸散動(dòng)力學(xué)。優(yōu)化后的薄膜在1個(gè)日照下的蒸發(fā)速率為~2.0 kg m?2 h?1，太陽(yáng)能-水蒸氣轉(zhuǎn)換效率約為91%，在沒(méi)有結(jié)構(gòu)模板或附加層的碳基蒸發(fā)器中名列前茅。除了這種理想的性能外，ZNC膜在鹽水條件下180h的運(yùn)行中顯示出長(zhǎng)期的穩(wěn)定性和有效的抗鹽結(jié)晶行為。這些影響歸因于沸石納米片形成的分級(jí)孔網(wǎng)絡(luò)，它既支持水的流動(dòng)性，又支持鹽的滲透再溶解。此外，一項(xiàng)詳細(xì)的分析表明，該系統(tǒng)受益于由于內(nèi)部水限制和環(huán)境熱收集而導(dǎo)致的部分熱焓降低?？偠灾@些機(jī)制使蒸發(fā)器更接近界面太陽(yáng)能蒸汽產(chǎn)生的理論效率極限?？傮w而言，這項(xiàng)研究通過(guò)將先進(jìn)的材料特性與簡(jiǎn)單的制造方案相結(jié)合，為低成本、可擴(kuò)展的太陽(yáng)能海水淡化提供了一條可行的途徑。未來(lái)在該領(lǐng)域的研究方向可能包括加入光活性或等離子體添加劑，優(yōu)化流體和熱管理的襯底結(jié)構(gòu)，以及調(diào)整界面化學(xué)以進(jìn)一步降低蒸發(fā)的熱勢(shì)壘。

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研究數(shù)據(jù)

圖1.碳化前后聚酰亞胺薄膜的性能。(A)在氮?dú)鈿夥障?，PI薄膜的熱重分析結(jié)果。(b，c)氧化鋁襯底上聚酰亞胺薄膜和碳化聚酰亞胺薄膜的橫截面掃描電子顯微鏡圖像。(d-f)不同溫度下碳化的聚酰亞胺薄膜的特性，包括(D)N2當(dāng)量；(E)傅立葉變換紅外光譜；(F)接觸角。(G)PI_0、(H)PI_500、(I)PI_600和(J)PI_700薄膜的(g-j)XPS譜。

圖2.用于光熱應(yīng)用的碳化聚酰亞胺薄膜的表征。(A)碳化聚酰亞胺薄膜在日照和干燥條件下的溫度。(B)UV-VIS-NIR反射光譜。(C)樣品和氧化鋁襯底在1個(gè)太陽(yáng)照度下的蒸發(fā)速率。(D)碳化聚酰亞胺薄膜的水滴吸收?qǐng)D像。(E)碳化聚酰亞胺薄膜的原子力顯微鏡圖像和粗糙度特征。(F)不同表面粗糙度樣品的AFM圖像和UV-VIS-NIR反射光譜。

圖3.沸石納米片的性質(zhì)。(A)沸石納米片的掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡圖像。(C)透射電子顯微鏡圖像中由虛線(xiàn)白色圓圈表示的點(diǎn)的SAED結(jié)果。(D)沸石納米片的熱重分析結(jié)果。(E)氮?dú)馕降葴鼐€(xiàn)。(F)PSD和(G)在不同溫度下熱解的納米片的X射線(xiàn)衍射數(shù)據(jù)。

圖4.襯底上納米片層的表征。(a，b)分別以(A)水和(B)NMP為溶劑制備的干燥納米片層的橫截面掃描電子顯微鏡圖像。(C)納米片層的X射線(xiàn)衍射數(shù)據(jù)。(D)納米片層的原子力顯微鏡圖像和粗糙度特征。(E)納米片層的水滴吸收?qǐng)D像。(F)H型電池兩側(cè)的離子濃度隨時(shí)間變化。(G)滲透壓力驅(qū)動(dòng)的鹽水水平在12小時(shí)后上升。(H)離子通量穿過(guò)納米片層。

圖5.ZNC復(fù)合膜的概念圖。(A)ZNC復(fù)合薄膜的制備工藝。(B)ZNC復(fù)合薄膜的光熱機(jī)理。

圖6.不同PI比的ZNC復(fù)合膜的性能。(a-d)ZNC膜的橫截面掃描電子顯微鏡圖像：(A)ZNC_3、(B)ZNC_5、(C)ZNC_8和(D)ZNC_11。(E)由EDS分析確定的樣品的氮?dú)鉂B透結(jié)果和C/Si比，(f-i)ZNC膜的俯視掃描電子顯微鏡圖像：(F)ZNC_3、(G)ZNC_5、(H)ZNC_8和(I)ZNC_11。(J-L)ZNC膜的表面性質(zhì)，包括(J)原子力顯微鏡結(jié)果，(K)UV-VIS-NIR吸收和反射光譜，以及(L)水接觸角。(M)ZNC薄膜在1個(gè)日照和干燥條件下的溫度。(n，o)在1個(gè)日照下的蒸發(fā)性能。

圖7.不同溫度下碳化的ZNC復(fù)合膜的性能。(a-c)ZNC薄膜的XPS譜：(A)ZNC_5_500，(B)ZNC_5_600，和(C)ZNC_5_700。(D)拉曼光譜。(E)UV-VIS-NIR吸收和反射光譜。(F)FTIR光譜。(G)在干燥條件下，ZNC薄膜在1個(gè)日照下的溫度。(H)接觸角。(i，j)在1個(gè)太陽(yáng)照度下的蒸發(fā)性能。

圖8.不同厚度的ZNC復(fù)合膜的性能。(a，b)(A)ZNC_5_600_3和(B)ZNC_5_600_7系統(tǒng)的橫截面掃描電子顯微鏡圖像。(C)通過(guò)FE-SEM成像確定的氮?dú)鉂B透特性和樣品厚度。(D)ZNC樣品在1個(gè)日照下的溫度。(e，f)ZNC樣品在1個(gè)太陽(yáng)照度下的蒸發(fā)性能。(G)與以往作品的比較。

圖9.ZNC復(fù)合膜在鹽水條件下的性能。(A)用ZNC_5_600_5在H型槽兩側(cè)測(cè)得的電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化。(B)12小時(shí)后滲透壓力驅(qū)動(dòng)的鹽水水平上升。(C)ZNC_5_600_5在鹽水和淡水條件下的長(zhǎng)期蒸發(fā)性能。(D)鹽水耐久性試驗(yàn)后的ZNC_5_600_5樣品的橫截面掃描電子顯微鏡圖像。

圖10.ZNC薄膜的太陽(yáng)能海水淡化性能。(A)在海水照射下，質(zhì)量隨時(shí)間的變化。(B)海水進(jìn)料和收集的餾分的離子濃度。(C)室外操作期間的環(huán)境溫度和相對(duì)濕度分布。(D)一天中太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與蒸發(fā)率的相關(guān)性。

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https://doi.org/10.1016/j.desal.2025.119477

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