据世界气象组织评估，目前全球36亿人面临水供应不足的问题。太阳能界面光热水蒸发技术是解决该问题的最佳方案之一。然而，在实际应用过程中，自然环境下波动水面可能造成光热蒸发器的倾倒与翻转、连续长期运行时产生盐分析出，造成光热蒸发器损伤与蒸发性能降低。此外，光热蒸发器便捷化与批量化生产也是阻碍该技术走向实际应用的因素之一。因此，亟需开发可长期运行、能够适应实际动态水环境，并具有大规模制备潜力的界面光热蒸发器。
近日，东华大学覃小红教授、王黎明研究员团队在期刊《Nano Letters》上发表了最新研究成果“具有水下亲气表面的亲/疏水核壳纱线基动态水净化用自漂浮高性能太阳能蒸发器的合理设计”（Rational Design of a Hydrophilic Core–Hydrophobic Shell Yarn-Based Solar Evaporator with an Underwater Aerophilic Surface for Self-Floating and High-Performance Dynamic Water Purification）、期刊《Fundamental research》上发表了研究成果“仿生多尺度芯纺纱太阳能蒸发器，用于超高效率和耐用的高盐度盐水淡化”（ Bioinspired multi-scale core-spun yarn-based solar evaporator for ultra-efficient and durable high-salinity brine desalination）。东华大学为第一署名单位，论文第一作者为纺织学院博士生李艾琳，通讯作者为覃小红教授、王黎明研究员。
图1. 具有水下亲气表面的棉/纳米纤维亲/疏水核壳纱线基自漂浮界面光热蒸发器。
论文通过设计构建具有水下亲气表面的棉/纳米纤维亲/疏水核壳结构纱线，同时实现自漂浮、自隔热和可控供水，实现在动态水环境下高效蒸发，为光热蒸发器在真实户外的动态水环境实际应用提供新思路。
图2. 亲/疏水壳核纱线及织物结构表征。
团队首先以棉纱为核，静电纺纳米纤维为壳制备亲/疏水核壳纱线，并采用成熟的织造工艺制备亲/疏水核壳纱线织物。之后，将织物四周的纱线段壳层纳米纤维剥离暴露出棉纱。随后，在织物主体的一侧喷涂碳纳米管，提高光热效应。
图3. 亲/疏水壳核纱线织物的漂浮性、供水和隔热机制。
亲/疏水核壳纱线的亲水棉芯中存在大量毛细管水通道，疏水的纳米纤维壳层可在水下储存空气形成隔热层，减少热量向水体的散失。这种独特的亲/疏水核壳结构纱线可同时实现可控供水、稳定漂浮、减少热散失，热传导降低至70.18 W m-2（接近原有的三分之一）。
图4. 亲/疏水壳核纱线基光热蒸发器的蒸发性能。
我们发现，纱线结构参数皮层厚度对供水和温度产生相反的影响。提高同时供水性能与隔热性能的存在矛盾。为此，通过调整棉芯暴露长度进一步优化亲/疏水壳核纱线基光热蒸发器的蒸发性能，在一个太阳光强度下，光热蒸发速率可达2.26 kg m-2 h-1。
图5. 亲/疏水壳核纱线的批量制备与其在动态水环境蒸发应用。
进一步探究了亲/疏水壳核纱线的大批量制备以及亲/疏水壳核纱线基自漂浮界面光热蒸发器户外动态水环境下的实际蒸发性能。在动态水环境下，亲/疏水壳核纱线基自漂浮界面光热蒸发器展现出稳定的自漂浮性能（超过24h），水收集速率达到14.17 kg m-2 day-1。
此外，团队还开发了一种仿生具有分级毛细管结构的棉/纳米纤维核壳纱线，并用其开发了一种可长期在高盐度海水中运行的具有定向水传输功能的织物基悬挂式光热蒸发器。
图6.定向水传输织物基悬挂式光热蒸发器。
这种仿树木分级结构棉/纳米纤维核壳纱线的核层采用具有微米级直径的棉纤维并在其壳层包裹静电纺纳米纤维，在纱线截面方向构建了多级分支微-纳米毛细通道，加快水分从纱线内层向皮层的传输。同时，我们通过调节纱线内棉纱的含调控该仿树木分级结构核壳纱线的水传输速率和纱线含水量，以达到最佳的光热蒸发性能。
图7. 纱线截面多级分支微-纳米毛细通道。
此外，该棉/纳米纤维核壳纱线基悬挂式光热蒸发器采用单向供水策略，形成由织物头端到尾端，内部向表层的定向水运输，能够及时将纱线内过多的盐离子排出，避免盐分积累造成光热蒸发器蒸发效率的降低。在一个太阳光照强度下，该光热蒸发器的蒸发率达到了3.46 kg m-2 h-1，并且在20 wt%的高浓度NaCl溶液中，也能以2.75 kg m-2 h-1的平均蒸发速率连续稳定运行100小时，展现了其在高盐度海水淡化领域长期应用的优越性。
图8. 长期、连续的光热脱盐性能。
由此可见，这种棉/纳米纤维核壳纱线的组成和结构多样，具有灵活的可调节性。在水-热-质传输调控方面展现了独特的优势，提高光热蒸发性能的同时实现自漂浮、自排盐、自隔热等功能，为高性能界面光热蒸发器的设计提供了新思路。此外，这种核壳结构纱线的连续化制备技术，步骤简单流程短，具有很强的规模生产潜力，该技术为界面光热蒸发器走向实际应用提供了一种新的备选方案。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.fmre.2023.09.006
