SIEPM课题组与拜罗伊特大学Andreas Greiner教授合作在太阳能界面蒸发领域取得重要进展
水资源和能源的短缺，已经成为全球面临的巨大挑战。界面光热蒸发具备不需消耗化石燃料、低碳排放、低污染的优点，受到了研究者的极大关注。但如何设计与发展出高性能的蒸发器，一直是这个领域的核心问题。过去几年，大量的研究专注于揭示界面光热蒸发机制，希望以此为基础，优化光热转换材料及其表界面结构，以提升蒸发器的性能。研究者们普遍认为界面光热蒸发速率取决于两个过程：在界面处水相转变成水蒸气，以及后续的水蒸气逸散。 Janus(俗称两面神)蒸发器因其具备独特的非对称浸润性，被视为便利界面处水蒸气产生的理想材料。传统的Janus蒸发器由上表面的疏水光热层和下表面的亲水的供水层组成。疏水光热层吸收太阳能，将其转换成热能。接着热能被传导至亲水/疏水层的交界处，以产生水蒸气。这一设计减少了热量向水的耗散，并保证了界面处水的充足供给，因此可以高效产生水蒸气。
一般情况下，产生的水蒸气很容易在蒸发器周围滞留。积累的水蒸气显著增加了蒸发器周围微环境的湿度，进而抑制水蒸气的持续产生，最终导致蒸发速率的降低。因此，要想实现蒸发器的高效蒸发，就必须促进水蒸气的逸散。海上风浪所带来的空气流动，是加速蒸汽逸散的天然助力。但是传统的Janus蒸发器在风浪中会随风漂移，无法实现固定漂浮，不利于实际应用。因此，迫切需要开发一种简单的方法来实现Janus蒸发器的抗风固定漂浮。这样既可以通过Janus结构的优势来加速水分蒸发，同时又能利用气流加速水汽扩散，从而实现高效的光热界面蒸发。
浙江大学徐志康教授带领的聚合物分离膜表界面工程团队(SIEPM)与国际著名静电纺纤维材料学者安德烈亚斯•格雷纳(Andreas Greiner)教授合作，在国家自然科学基金委联合创新基金重点项目“聚合物微孔分离膜的表面性质迥异非对称化与功能集成研究(资助号：U21A20300)”的资助下，通过序列静电纺丝制备了一种磁性Janus蒸发器，可以在磁场辅助下，实现蒸发器的抗风固定漂浮，进而利用气流增强太阳能界面蒸发速率(图1)。
图1. 磁性Janus蒸发器与非磁性Janus蒸发器的示意图。在磁场远程辅助下，磁性Janus蒸发器能抗风漂浮，进而利用气流增强太阳能界面蒸发。
作者首先采用序列静电纺丝技术制备了具有底部亲水聚丙烯腈(PAN)共聚物纳米纤维层和上部疏水四氧化三铁/聚偏氟乙烯(Fe3O4/PVDF) 纳米纤维层的磁性Janus膜(MJMs)(图2)。PAN共聚物纳米纤维表面具有优异的亲水性，而Fe3O4/PVDF表面呈现出疏水性，Fe3O4纳米颗粒均匀分散在PVDF纳米纤维中。XRD分析表明，在静电纺丝过程中，Fe3O4的晶体结构未受到影响，因而可以很好地保持Fe3O4的磁性。
图2. 序列静电纺丝制备MJMs的示意图
作者进一步测试了MJMs的远程磁控性，发现所制备的MJMs具有极强的磁性(饱和磁化强度为43.2 emu/g)，同时MJMs的非对称浸润性赋予其优异的气液界面悬浮稳定性，因此漂浮在水面上的MJMs可以通过磁铁的移动来改变水平位置(图3)。当磁铁放置在膜的上方时，磁力将MJMs从气/水界面处上提，亲水性PAN共聚物纳米纤维表面与水面之间形成了一个液桥，存在显著的相互作用力。表面力仪测得上提过程中膜与水之间的粘附力为1.80 N/cm2，高于MJMs在磁场(20 mT)之中受到的磁力(1.59 N/cm2)，磁力无法抵抗水对MJMs的粘附力，使膜脱离气/液界面。当磁铁放置在膜的下方时，磁力可将MJMs微微拉入水中，此时可探测到一个显著的排斥力，其数值约为3.84 N/cm2，这可归因于疏水Fe3O4/PVDF表面与水面之间的排斥效应。因此，不管磁铁放置在膜的上方还是水下，均可以控制漂浮的MJMs在水面的水平运动。
图3. (a) 磁铁控制MJMs在水面移动。(b) MJMs在水面上提过程和(c)下压过程的数字照片和受力示意图。
一般来说，太阳能蒸发器在海风中难以保持静止，而MJMs集成了稳定的界面漂浮性和磁控性能，表现出优异的抗风性能(图4)。在气流吹拂(v = 0.25 m/s)的情况下，即使在60秒后，MJMs也能够稳定地漂浮在磁铁上方，不发生水平位移。相比之下，非磁性JMs在2秒内的水平位移就达到了8.8厘米。MJMs的抗风能力源于磁场对薄膜施加的磁力，它限制了薄膜在气流下的水平运动。作者系统地研究了外部条件对MJMs抗风性能的影响，包括风速和磁场强度。结果表明，该系统的最佳磁场强度为40 mT，此时膜能抵抗的最大风速可达1.75 m/s。
图4. MJMs的抗风性能。(a) 在磁场(20 mT)中，风速为0.25 m/s的气流下，MJMs可以抗风漂浮。(b) 在同样条件下，非磁性JMs随风漂移。
蒸发器的光热转换对其蒸发性能起着至关重要的作用。作者用分光光度计测量了MJMs在250 ~ 2500 nm范围内的吸光性能(图5)。Fe3O4/PVDF表面具备极高的光吸收率，在模拟太阳光的照射下，其表面温度在1 分钟内升高至80度。因此，可利用模拟太阳光照射Fe3O4/PVDF表面，通过光热转换加热MJMs。
图5. MJMs的光热转换性能。(a) Fe3O4/PVDF表面和PAN表面的全波段吸收光谱。(b) 模拟太阳光下MJMs表面的动态表面温度变化曲线，(c) 相应的红外图像。
将具有优良抗风性能和高效光热转换的MJMs应用于模拟风下的界面光热蒸发实验(图6)。在初始阶段，蒸发速率随气流速率的增大而增大。这是由于气流加速了蒸汽的逸散，降低了蒸发器附近微环境的相对湿度，有利于水蒸气的持续产生，从而增加了水的蒸发速率。但当风速超过0.5 m/s时，蒸发速率开始下降。这是因为太强的空气流加剧了蒸发器与空气之间的热对流，造成显著的热量损耗，致使蒸发速率下降。实验结果表明：当风速为0.5 m/s时，MJMs的蒸发速率相比无风条件提升了40.4%，为1.39 ± 0.06 kg∙m-2∙h-1，对应的太阳能/蒸汽转换效率为87.3%。作者进一步使用优化磁场和气流条件后的MJMs进行了10个循环的海水淡化，展现出良好的服役稳定性。此外，与初始海水相比，冷凝水的电导率降低了99.99%，展现出优异的脱盐能力。
上述研究首次通过磁性设计，实现磁控下的抗风漂浮。更重要的是，MJMs在气流的帮助下表现出优异的界面光热蒸发性能。为真实海上应用的高性能界面光热蒸发器的研发提供了新途径。这项工作以“Magnetic-controllable Janus fibrous membranes with wind-resistant floatability for airflow-enhanced solar evaporation”为题，应邀发表在Journal of Polymer Science上。博士研究生李浩南为第一作者，安德烈亚斯•格雷纳教授和徐志康教授为共同通讯作者。