【引言】
随着全球的工业化和城市化发展，淡水稀缺已经成为人类面临的一个巨大挑战。同时，太阳能这一绿色，可持续能源在很多领域得到了广泛关注。近年来，研究者开发了很多光热转换材料（PCMs），利用太阳能来驱动水蒸发，从而获得纯净水。目前，等离子体纳米颗粒、半导体、碳材料、聚合物材料和生物质材料被广泛研发来提高光热转换效率，但是大多数的PCMs的光热转换效率低于85%（一个太阳辐射下）。现今PCMs的开发仍有挑战存在：(i) PCMs 的制备合成过程大都需要高额成本和复杂的工序，阻碍了PCMs的工业化大规模应用。(ii) 现阶段的PCMs的蒸发速率和光热转换效率较低，从而引起产生淡水的速率慢。
【成果简介】
近日，电子科技大学巩峰博士和美国奥克拉荷马大学的Dimitrios V. Papavassiliou 教授（共同通讯作者）等在Nano Energy上发表了题为“Scalable, eco-friendly and ultrafast solar steam generators based on one-step melamine-derived carbon sponges toward water purification”的研究论文。利用直接在空气中煅烧商业三聚氰胺海绵（AMS），一步直接制备了高效的太阳能驱动的蒸汽发生器。该方法简单易行，成本低廉。AMS有很多优点：碳化后在太阳光谱内具有很好的吸收效率；低的体热导率有效锁住热量、很好的亲水性保证充足的水供应、高孔隙率有利于蒸汽的快速运转。这些优良性质使AMS拥有很高的光热转换效率，在一个太阳辐射下（1 kW m-2）实现了很高的蒸发效率（1.98 kg m-2 h-1）和光热转换效率（~92%）。通过巧妙的装置设计避免了AMS和大体积水的直接接触，防止热量大量扩散到水中。相比于直接将AMS置于水面进行蒸发，此装置的使用大大提高了蒸发速率和光热转换效率。AMS还被发现具有普适性，可以作用于多种水体（污染后的河水，海水，强酸强碱废水）。研究发现，利用AMS可以从这些水体中得到纯净水，体现了其突出的防污性能。此外，作者巧妙的设计了测量AMS潜热的简单方法，结合理论计算探究了AMS中蒸发潜热降低的原因。为了验证AMS净水能力，作者设计制作了室外装置模型证明了AMS有望用于实际的工业化污水处理和海水淡化。
【图文导读】
图一：空气中煅烧三聚氰胺海绵（AMS）的示意图和微观形貌。
（a）400 ℃空气中一步退火，白色MS转变为黑色AMS；（b）大块MS（45 cm×35 cm）照片；（c-d）MS的SEM图片；（e）退火后的AMS约有60%体积收缩（30 cm×20 cm）；（f-g）AMS的SEM图片，相较于MS，孔径减小。
图二：AMS的物理和机械性能
（a）AMS显亲水性，水接触角为0°；（b）10 s内，AMS上面的白色纸巾被蓝色墨水润湿；（c）AMS被压缩和释放照片，显示出优良的机械性能；（d）MS和AMS的拉曼光谱；（e）干燥MS和AMS的热导率和密度；（f）湿润MS和AMS的热导率和密度。
图三：一个太阳辐射下，AMS的太阳蒸发性能
（a）使用热绝缘体（AMS-TI）设计的太阳能蒸发装置。一片AMS（2m×2 cm×0.3 cm）置于PS泡沫上（热绝缘体），2 cm宽的无尘纸通过毛细管效应持续提供水。插图为AMS的微观结构示意图和无尘纸毛细管效应示意图；（b）没有热绝缘体（AMS-NTI）的AMS太阳能蒸发示意图。由于直接接触，热量直接传输到大体积水中；（c）有热绝缘体（AMS-TI）的AMS太阳能蒸发示意图。由于热绝缘层存在，热量被阻碍散失到大体积水中；（d-f）纯水（d），AMS-NTI（e）和AMS-TI（f）在稳态下太阳能蒸发过程中的红外图像；（g-i）一个太阳辐射下一小时，纯水、AMS-NTI、AMS-TI的质量蒸发损失（g），平均温度曲线（h），太阳蒸发效率和光热转换效率（i）；
图四：AMS-TI在不同水体上的太阳能蒸发性能。
（a）一个太阳辐射下，1小时不同类型水的质量变化；（b）不同类型水，一个太阳辐射下的表面温度；（c）AMS在一个太阳辐射下，不同类型水的蒸发速率和光热转换效率；（d）蒸发前酸性水和蒸发所收集到水pH测试试纸照片；（e）蒸发前碱性水和蒸发所收集到水pH测试试纸照片；（f）AMS蒸发污水的性能，插入图为被污水污染的无尘纸；（g）AMS-TI在酸性水，碱性水和海水的循环性能；（h）太阳能蒸发冷凝装置原型的设计和组成示意图；（i）漂浮在河水上的太阳能蒸发冷凝装置照片。
【小结】
研究人员通过一步碳化三聚氰胺海绵得到了高效，简易，低成本的高效智能太阳能蒸汽发生器。制备的AMS具有高孔隙率，低密度（~0.015 g cm-1），低热导率（~0.038 W m-1 K-1）和亲水毛细管网络（水接触角=0°）。在绝热体（PS泡沫）和倒水通道（无尘纸）的协助下，AMS实现了1.98 kg m-2 h-1 的蒸发速率和~92%的光热转换效率，超过目前已报道的大多数PCMs。AMS表现出优异的防污性能、脱盐作用和循环稳定性，可以被用于净化污染河水、强酸和强碱废水、海水。作者利用太阳光蒸发冷凝装置证明了AMS用于大规模工业生产的可能性以及其应用前景。AMS的简便性，可扩展性，低成本和高便携性使其具有家庭和工业净水的具体潜力，也可以应用于污水处理和海水淡化等领域。
文献链接：Scalable, eco-friendly and ultrafast solar steam generators based on one-step melamine-derived carbon sponges toward water purification （Nano Energy2019, 58, 322-330）
来源：材料牛
