近日，我校纤维材料改性国家重点实验室/材料科学与工程学院陈志钢、朱美芳教授合作在太阳能光热海水淡化领域取得重要进展，相关成果以“Continuously Producing Watersteam and Concentrated Brine from Seawater by Hanging Photothermal Fabrics under Sunlight”为题发表在国际著名期刊《Advanced Functional Materials》上。东华大学系论文第一完成单位，材料科学与工程学院博士生刘子潇为论文第一作者，我校陈志钢和朱美芳教授以及新加坡国立大学刘小钢教授为该论文的共同通讯作者。理学院伍滨和教授为论文的共同作者。

海水淡化被认为是解决淡水资源紧缺这一全球性问题的最佳途径，传统的海水淡化技术往往需要消耗化石能源，不可避免地会造成污染，加重环境负担，太阳能光热海水淡化技术的出现为解决这一问题提供了新途径。太阳能光热海水淡化是指利用太阳光加热海水产生水蒸气，再通过冷凝得到淡水的技术。这一技术仅通过太阳光和海水就可得到淡水，无需消耗其他化石类能源，因其低价、清洁、可持续的特点而备受关注。当前，太阳能光热海水淡化技术已取得长足进步，但已有研究大多将光热转换层直接漂浮在海水表面(图1a,b)，再通过太阳光照射产生蒸汽，这种漂浮模式容易产生三个问题：(1) 光热转换层的下表面与海水直接接触，所产生的热会向下层海水传递，造成热损失；(2) 漂浮模式仅有上表面发生蒸发，蒸发面积有限；(3) 蒸发过程中，海水中的盐会在材料表面积累，最终析出产生结晶，严重阻碍光吸收，破坏材料微观结构，使蒸发速度显著降低。

为了解决以上难题，在本工作中，研究人员首先将聚苯胺纳米棒涂敷在棉布表面，制备出聚苯胺-棉布光热转换布，再创新性地将其悬挂于两个装有海水的水槽之间，使得布的两端浸没于海水中，整体呈现出中间低、两端高的弧形，下方放置一个水槽，用于收集卤水。在毛细作用下，海水首先从两端的水槽中被吸收到光热转换布上，之后在重力的作用下，由布的两端向中心处汇聚，并最终滴落至下方的水槽中。在太阳光照射下，棉布上的聚苯胺吸收太阳光并转换成热，加热海水使之蒸发，所得水蒸汽通过冷凝得到淡水，来不及蒸发的海水得到浓缩并收集于下方水槽中(图1c,d)。

图1 传统漂浮蒸发与悬挂式蒸发装置示意图

这一装置主要有四个优点(图2)：

(1) 热量集中。悬挂式设计使得光热转换布的上下两表面同时接触空气，空气的热导率仅为0.023 W m^-1 K^-1，具有极好的隔热性能，这使得热量最大限度地集中在布的表面，极大程度地减少了热的散失，通过理论计算，相同光照下，悬挂模式的热损失速率（42.7 W m^-2）仅为漂浮模型（253.5 W m^-2）的16.8%；

(2) 双面蒸发。海水在布的上下两表面同时蒸发，蒸发速率显著提高，在光强为1.0 kW m^-2的太阳光照射下，海水的蒸发速率达到1.94 kg m^-2 h^-1，太阳能利用率高达89.9%，而相同光照下漂浮模型的蒸发速率仅为0.81 kg m^-2 h^-1，太阳能利用率为35.0%；

(3) 避免析盐。海水在聚苯胺-棉布上始终处于流动状态，其中的盐分会随卤水的滴落而从布上移除，并不会在布的表面积累，从而避免了表面析盐所带来的反射率增加、蒸发速率降低等负面影响；

(4) 卤水浓缩。海水蒸发后所剩余的卤水可以通过装置下方的水槽进行收集，变废为宝，用于氯碱工业等多种工业领域，同时，通过调节滴速，卤水中的盐浓度可以得到调控，以3.5 wt%的NaCl溶液为例，通过调节滴速，卤水浓度最高可达到饱和（~26 wt%）。

图2悬挂式蒸发装置的防析盐与卤水浓缩性能

悬挂式蒸发模型的提出，在增加了蒸发速率的同时避免的析盐现象。通过调节可产生饱和的卤水，对下游的多种工业领域均有意义，该模型不仅在太阳能光热海水淡化领域展现出极大前景，还对其他污水处理装置的发展具有借鉴意义，极具产业化前景。

陈志钢教授团队长期致力于光热转换材料的研究，近年来在近红外光热癌症诊疗（Adv. Mater., 2011, 23, 3542; Adv. Mater., 2013, 25, 2095; Adv. Mater., 2016, 28, 245; Adv. Funct. Mater., 2016, 26, 8231; Nanoscale, 2017, 9, 9148; Biomaterials, 2018, 161, 279;Chem. Eng. J.2019, DOI: 10.1016/j.cej.2019.122613）和太阳能光热海水淡化领域（Desalination, 2019, 462, 29; ACS Appl. Mater. Inter., 2019, DOI: 10.1021/acsami.9b12806）开展了多项研究工作，取得了系列进展。

《Advanced Functional Materials》最新影响因子为15.621。以上工作得到了国家自然科学基金、上海市科学技术委员会、上海市教育委员会创新项目、曙光计划、中央高校基本科研专项资金、东华大学励志计划、东华大学博士研究生创新基金等基金的资助。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201905485