文末附我們邀請Mater. Today Energy副編輯範紅金教授為新刊的介紹
背景介紹
由於氣候變化和人口增長的影響，淡水資源承受的壓力逐步攀升，越來越多的國家開始建造海水淡化廠，使海水淡化成為水資源的重要補充和戰略儲備。目前常用的海水淡化方法主要包括蒸餾法和反滲透法，這兩種方法的成本主要來自於材料設備投資和運行能耗，目前不但耗能高，對環境的影響也很大。把太陽能等可再生資源與海水淡化相結合正成為研究熱點，這將在海水淡化和汙水純化等方面有良好的應用前景。
最近，美國喬治亞理工學院的夏幼南教授團隊研發了一種可便攜、並可重複使用的太陽能表面水蒸發膜，它由負載金納米籠的聚偏氟乙烯(AuNC/PVDF)靜電紡納米纖維組成。與傳統的太陽能蒸餾技術相比，它不需要使用昂貴笨重的光學聚焦元件，也不需要將所有水加熱，顯著提高了蒸發效率。在實際使用中，還可以通過調節金納米籠的含量來改變AuNC/PVDF膜的升溫曲線，進而控制水蒸發速率，以滿足不同地區的成本需求。
該研究工作發表在ELSEVIER旗下雜誌《Materials Today Energy》，東華大學的博士訪問學生吳桐為第一作者，喬治亞理工學院夏幼南教授為通訊作者。
圖文簡介
圖1. AuNC/PVDF水蒸發膜的紫外-可見光-近紅外吸收光譜、宏觀形貌數碼照片以及微觀形貌掃描電鏡圖片
要點：金納米籠具有顯著的光熱效應以及優良的光熱轉換效率，通過調節其壁厚以及壁上的孔隙率，可以精確有效地將金納米籠的局域表面等離子體共振峰調節至400−1200 nm範圍內的任一波長。另一方面，通過靜電紡絲技術製備的納米纖維膜具有高孔隙率、高比表面積以及很好的連通性，且可選擇的原材料較多，在能源、環境用膜的設計與製備中有廣泛的應用前景。該研究中首先製備了局域表面等離子體共振峰在808 nm附近的金納米籠，然後將其分散於PVDF的紡絲液中，通過靜電紡絲技術製備AuNC/PVDF水蒸發膜，用於實驗室研究。
圖2. AuNC/PVDF水蒸發膜在空氣中經近紅外雷射輻射後的照片以及溫度升高曲線
要點：將乾燥的AuNC/PVDF水蒸發膜在空氣中經0.4 W cm-2的近紅外雷射（波長808 nm）輻射30 s就可以將其溫度升高到120 oC，其後溫度保持穩定，而對於不添加金納米籠的PVDF納米纖維膜，其溫度沒有明顯升高。同時，通過改變近紅外雷射的輻射強度，可以有效調控AuNC/PVDF膜的升溫曲線，由於水的沸點為100 oC，實驗中選擇0.4 W cm-2的輻射強度進行後續研究。
圖3. AuNC/PVDF水蒸發膜漂浮於水面時經近紅外雷射輻射後的照片、輻射2小時內水的質量損失以及蒸發速率
要點：由於PVDF的疏水性，AuNC/PVDF納米纖維膜可以自由地漂浮在水面上，並且可以自動隨著水面的下降而下降。當AuNC/PVDF納米纖維膜漂浮在水面時，經0.4 W cm-2的近紅外雷射輻射15 min後膜的溫度升高到96 oC。持續將AuNC/PVDF納米纖維膜輻射2小時，蒸發水的質量為0.69 ± 0.02 g，水蒸發速率達到3.64 ± 0.06 kg m-2 h-1。
圖4. AuNC/PVDF水蒸發膜的再循環能力以及用於水除鹽和純化的概念驗證
要點：將AuNC/PVDF水蒸發膜置於水面上，經0.4 W cm-2的近紅外雷射輻射2小時後真空乾燥作為一個循環，重複10次，測量每次的水蒸發速率以及光熱轉換效率，亦即蒸發效率。結果表明，水的蒸發速率保持穩定，維持在3.40-3.57 kg m-2 h-1範圍內，AuNC/PVDF水蒸發膜的光熱轉換效率也很穩定，保持在59.3-63.5%範圍內，每個循環的平均光熱轉換效率為60.9%，這要遠高於將光吸收納米材料置於容器底層以對整體水加熱時的光熱轉換效率(30−45%)或者直接將金納米粒子分散於水中時的光熱轉換效率(24%)。
為了驗證AuNC/PVDF水蒸發膜用於海水除鹽以及汙水純化的概念，分別將該膜置於NaCl水溶液以及含有染料的水溶液液面上，經0.4 W cm-2的近紅外雷射輻射5小時，蒸發水的質量和每小時可輸出水的體積分別為1.55 ± 0.04 g和2.68 ± 0.04 L m−2 h−1 (NaCl溶液，圖4C)以及1.45 ± 0.04 g和2.94 ± 0.04 L m−2 h−1(染料溶液，圖4D)。
圖5. 三種具有不同紫外-可見光-近紅外吸收峰的金納米籠形貌的透射電子顯微鏡圖片、紫外-可見光-近紅外吸收光譜以及在自然太陽光下輻射8小時內水的質量損失和蒸發速率
要點：為了將AuNC/PVDF納米纖維膜用於太陽能蒸發水的實際應用，通過調控金納米籠的壁厚以及壁上的孔隙率，製備出三種金納米籠，其局域表面等離子體共振峰分別為650 nm (AuNCs-1)，740 nm (AuNCs-2)，970 nm (AuNCs-3)。將三種金納米籠以一定比例混合後得到局域表面等離子體共振峰覆蓋500−1000 nm範圍的混合物，將其以0.05% 和0.10%的質量比例分散於PVDF紡絲液中，製備兩種不同金納米籠含量的AuNC/PVDF膜，用於自然太陽光下水蒸發的研究。
在自然太陽光下輻射8小時後，蒸發水的質量損失以及水蒸發速率分別達到10.73 g和 1.07 kg m−2 h−1 (0.05% AuNCs)以及12.78 g 和1.27 kg m−2 h−1(0.10% AuNCs)。比起不含金納米籠的PVDF納米纖維膜的水蒸發速率(0.30 kg m−2 h−1，主要來源於水自然蒸發)，AuNC/PVDF膜的水蒸發速率分別提高了3.57 (0.05% AuNCs)和4.23倍 (0.10% AuNCs)。將自然太陽光下的水蒸發反覆進行10個循環，AuNC/PVDF膜的水蒸發速率穩定維持在1.03–1.12 kg m−2 h−1 (0.05% AuNCs)和1.21–1.30 kg m−2 h−1 (0.10% AuNCs)範圍內，光熱轉換效率可達到67.0% (0.05% AuNCs)和79.8% (0.10% AuNCs)。
意義分析：
這一研究成果為高效太陽能表面水蒸發器件的設計與研發提供了一種新的思路，並可簡單地通過調節金納米籠的含量來達到不同的水蒸發效率，滿足不同國家和地區的成本需求，後續更可與無針靜電紡絲等大規模製備納米纖維的技術相結合，獲得AuNC/PVDF水蒸發膜的大批量生產，為水資源的可持續開發和利用提供了更多的可能。
原文連結
Wu, T.; Li, H.; Xie, M.; Shen, S.; Wang, W.; Mo, X and Xia, Y. Incorporation of gold nanocages into electrospun nanofibers for efficient water evaporation through photothermal heating. Materials Today Energy, 2019, 12, 129-135. DOI: 10.1016/j.mtener.2018.12.008.
Xia Group網頁連結
https://www.nanocages.com/
期刊介紹：
by Hong Jin Fan (Associate editor of MTE)
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Materials Today Energy 是Materials Today 家族的一本能源期刊，首發2017年。
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