SIEPM课题组与拜罗伊特大学Andreas Greiner教授合作在自除垢太阳能界面蒸发器研究上取得新进展

水资源和能源的短缺问题，已经成为了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。提升蒸发器的蒸发效率和抗盐垢性能一直是这个领域的核心问题。

Janus蒸发器因其具备独特的非对称浸润性，被视为界面高效光热蒸发的理想材料。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。一方面，这一设计减少了热量耗散，并保证了界面处水的供给，可以实现较高的蒸发效率；另一方面，Janus蒸发器的蒸发界面在膜中亲水/疏水层界面处，延缓了盐垢在膜表面的堆积。然而，Janus蒸发器的多孔结构在面向实际应用过程仍然会面临不可避免的盐垢沉积，而这些沉积在膜内弯曲孔道中的盐分很难通过简单漂洗除去。因此，累积的盐分可能会堵塞水的输送通道，甚至随着时间的推移会穿透疏水层，沉淀到顶部表面，影响蒸发器的长期性能。

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），在国家自然科学基金“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，通过序列静电纺丝方法制备出一种具备可逆移动亲水/疏水界面的自除垢Janus蒸发器。面对白天和夜晚不同的光照条件，集成日光下的高效蒸发和夜晚的自除垢清洁性质，可以在20 wt% NaCl盐溶液中长期稳定地高效蒸发（图1）。

图1. （a）传统Janus蒸发器与（b）自除垢Janus蒸发器用于太阳能驱动海水淡化的示意图。

作者采用序列静电纺丝技术制备了顶部为嵌有Fe₃O₄纳米粒子的聚（N -异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）纳米纤维层，底部为亲水性聚丙烯腈（PAN）纳米纤维层的自除垢Janus蒸发器。PNIPAM/Fe₃O₄纳米纤维层结合Fe₃O₄纳米粒子的光热效应和PNIPAM的温敏性质，可以实现外部光照条件控制的可逆亲水/疏水转变（图2）。

图2. 自除垢Janus蒸发器的制备及光照诱导的润湿性转变。（a）序列静电纺丝方法制备自除垢Janus蒸发器的示意图。（b）PNIPAM/Fe₃O₄表面在不同温度下的浸润性转变(插图为表面上水滴的接触角图像)。

在白天日照下，Fe₃O₄纳米粒子吸光产热，使得PNIPAM/Fe₃O₄纳米纤维的温度高于PNIPAM的最低共溶温度（LCST），自除垢Janus蒸发器表现出与传统Janus蒸发器类似的不对称润湿性，实现高效光热蒸发的同时，延缓盐分在顶部表面堆积。在夜晚，膜的温度低于PNIPAM的LCST，蒸发器变得完全亲水，水分可以通过亲水毛细孔道实现整体膜孔的自清洁除垢（图3）。

图3. 自除垢Janus蒸发器（a）在白天高效蒸发和（b）夜晚自除垢性质。

将自除垢Janus蒸发器与吸水纸和隔热泡沫组装成一个实用的装置，在一个太阳光照射下，水的蒸发率达到了1.76 kg m^-2 h^-1。此外，自除垢Janus蒸发器在20 wt% NaCl溶液中表现出持续运行稳定性。连续运行5天，蒸发速率下降小于4%且上表面无盐垢沉积（图4）。另外，通过静电纺丝技术，自除垢Janus蒸发器可以很容易地从实验室的小规模制造扩大到工业的大规模生产。因此，这类具有光热响应润湿性的蒸发器提供了一个令人振奋的机会，在实际应用中实现持久和高效的太阳能热海水淡化。

图4. （a）疏水蒸发器，（b）亲水蒸发器，（c）传统Janus蒸发器和（d）自除垢Janus蒸发器在20 wt%氯化钠溶液中光热蒸发运行5天的数码照片。

这项工作以“A self-descaling Janus nanofibrous evaporator enabled by a “moving interface” for durable solar-driven desalination of hypersaline water”为题，发表在Journal of Materials Chemistry A上，并得到审稿人和编辑推荐，入选Journal of Materials Chemistry A HOT Papers合集。博士研究生李浩南为第一作者，杨皓程副教授、安德烈亚斯•格雷纳教授和徐志康教授为共同通讯作者。

原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ta/d2ta05555d