采用化学负载的MoS2的多梯度结构针刺棉织物蒸发器，用于高效太阳能海水淡化

《Separation and Purification Technology》：Multi-gradient structured needle-punched cotton fabric evaporator with chemically loaded MoS2 for efficient solar desalination

　　

赵子萌|严宏波|乔浩然|华克伦|郭文祥|李文斌|何佳豪|李久刚

武汉纺织大学纺织科学与工程学院，中国武汉430200

摘要

太阳能界面蒸发为全球淡水短缺问题提供了一种可持续的解决方案。然而，传统的蒸发器设计在热局部化和水传输之间存在固有的权衡，这严重限制了其整体性能。为了克服这一限制，我们开发了一种耐用的三维蒸发器，该蒸发器具有分层设计的圆锥形孔结构（称为MoS₂/TA-NPF）。这种结构是通过将二硫化钼（MoS₂）纳米片功能化到针刺棉织物（NPF）上实现的，单宁酸（TA）作为一种多功能粘合剂，确保了纳米片的均匀负载、宽频段的太阳光吸收以及出色的环境稳定性。然后，这些功能化的纤维层被构造成一个圆锥形结构，其孔径梯度从顶部的5毫米逐渐减小到底部的2毫米。这种精心设计的结构具有双重作用：它通过显著的多重散射效应增强了光捕获能力，同时实现了热场和毛细驱动的水供应的协同调节。因此，在1千瓦·平方米的太阳辐射下，该蒸发器的蒸发速率达到了2.21千克·平方米·小时。此外，它在高盐度条件下表现出卓越的长期运行稳定性，没有明显的性能下降。通过将分子尺度的界面工程与宏观结构设计无缝结合，这项工作为开发高性能、抗污染的太阳能蒸发器提供了一种新颖而稳健的策略，从而推进了其在海水淡化和高盐度废水处理中的实际应用。

引言

全球工业化和社会进步加剧了化石燃料的消耗，导致全球淡水短缺[1]，[2]。由此产生的清洁淡水短缺已成为可持续发展的关键障碍[3]。太阳能热转换技术因其在海水淡化和废水净化方面的应用而受到广泛关注，为解决这一紧迫挑战提供了绿色和可持续的途径[4]，[5]，[6]。在这些方法中，太阳能蒸汽生成（SSG）通过将光热转换限制在空气-液体界面，实现了高效的局部加热[7]，[8]，[9]。然而，这种界面配置本质上需要快速补充水分以维持高蒸发速率，这不可避免地加剧了热量向底层水体的传导损失[10]。因此，设计一种能够兼顾高效光热转换和优异热管理的界面蒸发结构对于推进太阳能驱动的水处理技术具有重要的科学和实际意义[10]，[11]。

热局部化已被证明是一种有效策略，可以最小化热量向底层水体的散失，从而提高界面蒸发效率[11]，[12]，[13]。这通常是通过集成隔热结构或使用具有低热导率的材料来实现的[14]。然而，这样的设计往往受到水传输和光吸收之间固有权衡的制约。例如，高效的隔热层往往会阻碍水分快速到达蒸发界面[15]，[16]。相反，引入额外的隔热材料可能会损害太阳能吸收器的光学吸收性能。因此，在该领域，协调有效的热局部化和不受阻碍的水传输已成为一个关键挑战[15]，[17]。将中空结构集成到太阳能吸收器中是一种有前景的策略，可以解决这一难题。这些结构具有双重功能：它们通过多次内部反射增强光捕获能力，同时其内部空腔有效抑制了固体传导的热量损失[7]，[18]，[19]。这种协同机制能够在不牺牲热局部化的情况下实现高效的水传输。这种设计范式为解决高性能太阳能蒸发系统中热管理和水供应之间的固有冲突提供了新的途径。

二硫化钼（MoS₂）是一种高效的光热材料，在可见光和红外光范围内表现出强烈的光吸收能力。其层状纳米结构进一步提高了比表面积，有利于提高太阳能到蒸汽的转换效率[20]，[21]。此外，将中空结构集成到基于MoS₂的吸收器中可以显著提高太阳能捕获能力，同时增强蒸发界面的热局部化[22]。因此，本研究通过多酚介导的界面组装和不对称几何结构的协同调节，构建了一种稳定的分层三维蒸发器（命名为MoS₂/TA-NPF）。制备过程和结构设计如图1a所示。利用单宁酸（TA）的通用粘合性能，我们实现了二硫化钼（MoS₂）纳米片在针刺棉织物（NPF）上的均匀且牢固的负载[26]，[27]。这确保了蒸发器即使在高盐度条件下也能保持持续稳定的光热转换性能。更重要的是，这项工作通过逐层组装功能化纤维垫，构建了一个具有垂直微通道的三维结构，超越了传统的二维平面配置。系统研究表明，这种圆锥形结构具有从顶部5毫米到底部2毫米的精确控制的孔径梯度，从根本上重新配置了蒸发界面的热和质量传递动力学[14]，[28]，[29]。如图1b所示，这种独特的梯度通道结构促进了表面热局部化，同时实现了水相和热场在通道内的协调传输。这种几何配置具有双重功能：它显著增加了空气-液体界面的有效蒸发面积，同时诱导了局部毛细压力梯度[30]，[31]。这种梯度不仅加速了水的向上输送，还触发了微对流效应，有效抑制了蒸发界面处的盐分沉淀[32]，[33]。在标准太阳光照（1千瓦·平方米）下，MoS₂/TA-NPF圆锥形孔蒸发器的蒸发速率为2.21千克·平方米·小时。此外，该系统在高盐度条件下表现出卓越的运行稳定性，在长时间循环测试中没有观察到性能下降。总之，这项工作建立了一种将分子尺度界面工程与宏观几何优化相结合的设计策略，为高盐度废水处理提供了高效、抗污染的太阳能蒸发的新途径。

章节片段

材料和化学品

基底材料是市售的针刺棉织物（东莞万利无纺科技有限公司）。其关键物理参数通过标准测量方法确定：厚度为（0.80±0.05厘米）（使用数字厚度计在1千帕压力下测量），面积密度为（420±15克/平方米），理论初始孔隙率约为66%（基于棉纤维密度1.54克/立方厘米）。所有样品在

MoS₂/TA-NPF的制备和表征

通过精确的物理穿孔和逐层组装，成功制备了一种具有高度有序垂直通道的三维MoS₂/TA-NPF蒸发器（图2a）。数字照片显示了一个清晰的3×3通道阵列；这种几何对称的结构有助于蒸发过程中的高效蒸汽释放。蒸发器均匀的黑色外观表明其具有强全谱光吸收能力，这归因于

结论

本研究报道了一种仿生光热蒸发器（MoS₂/TA-NPF），该蒸发器由可生物降解的针刺棉织物（NPF）制成，用于高效太阳能驱动的水净化。这种环保的纤维素纤维基底经过功能化处理，涂覆了含有天然单宁酸（TA）和二硫化钼（MoS₂）的粘合剂复合材料，赋予了优异的亲水性、结构坚固性和宽频段光热转换能力。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们衷心感谢湖北省科技部门的支持（资助编号：2024CSA076）。