國際著名期刊先進材料《Advanced Materials》（影響因子：27.398）近期發表我校88858cc永利官网鄧紅兵教授課題組與東華大學丁彬教授課題組在耐鹽太陽能海水淡化納米纖維氣凝膠領域的最新合作成果。論文題為“Cellular Structured CNTs@SiO₂ Nanofibrous Aerogels with Vertically Aligned Vessels for Salt‐Resistant Solar Desalination”（《具有垂直排列管道的蜂窩狀CNTs @ SiO2納米纖維氣凝膠用于耐鹽的太陽能海水淡化》）。88858cc永利官网2019級博士研究生董向陽和東華大學博士研究生曹雷濤為并列第一作者，88858cc永利官网為第一作者單位，東華大學丁彬教授與88858cc永利官网鄧紅兵教授為共同通訊作者。該課題得到了國家自然科學基金、湖北省自然科學基金創新群體的資助和支持。

水資源與水安全一直是國際資源環境領域的前沿和熱點。目前國際上約有20億人缺乏安全可靠的淡水供應設施。為了确保足夠的淡水供應，太陽能海水淡化技術近年來受到廣泛關注。但在海水淡化過程中，蒸發器表面的鹽會随着蒸發而增加。由于大多數蒸發器對鹽的耐受能力不佳，很難将鹽分從蒸發界面移除，最終導緻鹽在蒸發界面結晶。鹽晶體的出現會降低吸光度并阻塞水分運輸通道，從而降低蒸發速率甚至損壞蒸發器。

針對上述問題，鄧紅兵教授和丁彬教授合作，基于以下原則設計了一種耐鹽的納米纖維太陽能蒸發器：1）蒸發器應具有高效的光吸收能力，以将盡可能多的太陽能轉化為熱量；2）通過自組裝過程調控，納米纖維高度模拟生物質纖維的孔道結構和多孔管道壁，并在此基礎上構建垂直排列的管道，以高效運輸水分和鹽；3）蒸發器必須具有足夠的機械強度和化學穩定性，以确保長期有效的蒸發性能。

圖1 a）常規太陽能蒸發器中的水運輸，光吸收，蒸發和鹽結晶的示意圖。b）納米纖維（CNFAs）氣凝膠中的鹽運輸，水運輸，光吸收和蒸發的示意圖。

為了滿足前兩個要求，利用纖維冷凍成型方法，将納米纖維組裝成具有垂直排列的管道的氣凝膠，以實現高效的鹽、水運輸；通過将碳納米管（CNT）沉積在管道壁上，以通過管道中光的多次散射和吸收來實現高效的光吸收。為了滿足機械強度和化學穩定性的要求，選擇了柔性的靜電紡SiO₂納米纖維作為蒸發器的結構元件。

圖2 a） CNFAs的制備和結構示意圖。b–d）CNFAs在不同放大倍數下的微觀多孔結構。e）具有高吸光度的CNFAs。f）CNFAs在水中的壓縮和回彈。g）從CNFAs表面産生的蒸氣。

該蒸發器能夠吸收98%的太陽光，在1個太陽的光照下（1 kW m^-2）能夠以1.50 kg m^-2 h^-1的速率産生蒸汽，即使在20%的鹽水中接受6個太陽的持續照射（6 kW m^-2）也不産生鹽，此外蒸發器還能經受反複的壓縮、長時間的超聲和酸堿處理，展現出了優異的機械強度和化學穩定性。産生的淡水完全滿足WHO的飲用水标準，受重金屬、有機染料、抗生素污染的廢水和海水中的有害成分幾乎完全被去除。

在以往的報道中，蒸發器通常具有疏水性頂層和親水性底層。疏水層通過防止鹽水到達材料表面來防止鹽在材料表面上結晶。與上述防止鹽分到達的方法不同，我們采用将鹽分運走的策略。CNFAs的關鍵結構特征是由SiO₂納米纖維框架構成的親水性垂直排列的管道。垂直對齊的管道連接蒸發界面和底層水，從而确保了鹽通過擴散和對流沿着最短路徑從鹽濃度高的蒸發界面傳輸到鹽濃度低的底層水。與傳統的太陽能蒸發器的纏繞路徑相比，垂直排列的管道将極大地促進鹽從蒸發表面向大量水的傳輸。

論文鍊接：https://doi.org/10.1002/adma.201908269