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Available online 6 May 2020
导读
本文作者开发出一种具有多功能性能的新型材料——单宁酸@氨基丙基三乙氧基硅烷@Fe3+（TA@APTES@Fe3+）复合涂层，用于太阳能蒸汽的产生。TA@APTES@Fe3+具有许多优点：宽而强的光吸收，良好的普适性（适用于多种多样的材料），低廉的成本，良好的稳定性，优异的抗油污染性，以及利于多种复杂结构设计的高可扩展性。TA@APTES@Fe3+的这些特性使几乎具有任何结构设计的基底材料都可以轻松地转换成光热材料，从而大幅提高其太阳能光热海水淡化速率。以经过结构设计的杨木为例，其经过TA@APTES@Fe3+处理后，水蒸发速率达到约1.8 kg m-2 h-1（一个太阳光照强度下），这在木基光热材料中是创纪录的。这一技术有望与目前的3D打印技术相结合，通过3D打印技术制备具有优化结构的基材，之后利用该涂层转换为光热材料，将有望大幅提高太阳能海水淡化效率，极大的促进这一领域的发展。
关键词
太阳能海水淡化；水处理；界面工程；光热转化
导师点评：（李越湘教授）
近年来，太阳能光热海水淡化/水处理领域受到了广发关注。本文中，在前期TA-APTES涂层研究基础上，通过引入Fe3+我们设计开发了一种新型多功能光热涂层，实现了较高的光吸收并显著提高了稳定性。与以往报道的光热材料相比，我们的新型光热材料具有很多独特的优点，比如：良好的普适性（适用于多种多样的材料），低廉的成本，优异的抗油污染性，以及利于多种复杂结构设计的高可扩展性等。这一技术有望与目前的3D打印技术相结合。
进一步降低光热材料成本，提高其效率和稳定性，以及光热水蒸气高效冷凝是目前该领域面临的一些主要挑战。此外，该领域的研究仍需更多分子层面的理论分析以及模拟计算，从而为深入理解这一复杂过程提供理论指导。随着科研人员对该领域的不断深入研究，该领域将会取得更多激动人心的成果和进展。
第一作者深度解读：（王振兴博士）
1. 制备过程要简单温和，尽量避免使用特殊设备，使其容易大规模制备；
2.材料成本一定要低；
3. 材料要有较好的光吸收和光热性能；
4.材料具备较好的稳定性，可适用于多种环境；
5.材料最好具有较好的普适性，并且兼容各种结构设计，为进一步提高其性能提供良好的平台；
因此，我们做了一系列尝试，最终发现经过简单的三价铁离子处理，该涂层即可变为黑色光热材料，同时，三价铁离子处理还可以大幅提高该涂层的酸碱稳定性和赋予材料持久的超亲水性，可谓一举三得。这一具有诸多优点的新型涂层将为光热材料的设计开发提供全新思路，并将极大的促进该领域的发展。
背景简介
1. 太阳能蒸发技术的研究现状
饮用水短缺是全球最重要的挑战之一。近来，基于空气/水界面处的太阳能光热海水淡化/水净化技术引起了学术界和工业界的关注。与传统的太阳能蒸发技术通过加热一整块水来获得蒸汽不同，这项新技术将热量集中锁定在气/液界面，从而可以最大程度地减少热损失，并快速的将水变为水蒸气，从而大幅提高蒸汽产生的效率。尽管尚未在大型工厂实施应用，但预计基于光热材料的太阳能海水淡化/水净化技术将成为生产清洁水和减少废水量的经济且可持续的技术。
2. 光热材料的研发进展
到目前为止，已开发出各种光热材料来产生蒸汽，例如等离子体粒子，半导体，碳质材料。作者已经开发了一种基于柔性卟啉有机骨架（POF）的界面工程方法来生产光热材料，并且该策略可用于包括膜，织物，海绵和木材在内的各种材料。此外，作者还制备了低成本的单宁酸-铁复合涂层，以制备用于太阳能蒸汽发电的光热材料。尽管在过去两年中取得了重大进展，但挑战仍然存在：在某些情况下，成本高（例如贵金属），复杂的处理（例如高温加热，多步合成，或等离子处理）或用于制备光热的专用设备阻碍了其工业应用。此外，对于水源被有机化合物（例如油）污染的问题，常用的碳化策略通常会剥夺光热基质的超亲水性，使其易于被水中油滴污染堵塞材料内部的水输送通道，进而大幅降低产水速率。因此，仍然需要开发新材料以克服上述问题。
图1. 图片概要
文章介绍
（a）方法简单
（b）成本低廉
（c）普适性和稳定性好
（d）良好的抗原油黏附性
（e）强的光吸收
基于上述优点，该涂层可以将多种不同基材转变为高效的光热材料，并用于太阳能海水淡化。以经过结构设计的杨木为例，杨木其经过TA@APTES@Fe3+处理后，水蒸发速率达到约1.8 kg m-2 h-1（一个太阳光照强度下）。这一技术有望与目前的3D打印技术相结合，通过3D打印技术制备具有优化结构的基材，之后利用该涂层转换为光热材料，将有望大幅提高太阳能海水淡化效率，极大的促进这一领域的发展。
文章亮点
• 开发了一种新型太阳能海水淡化用光热涂层。
• 该涂层制备过程简单温和，无需高温高压及有毒溶剂或特殊设备。
• 该涂层价格低廉且具有良好的稳定性，可承受强酸和强碱，冲洗处理，循环冻融测试，并具有良好的抗原油黏附性能。
• 该涂层具有良好的普适性，并可将几乎具有任何结构设计的多种基底转变为光热材料。
图2.原始基材，纳米涂层，复合纳米涂层的形貌
(a) Photographs of pristine substrates (left), substrates with nano coating (NC) (middle), and materials with composite complex coating (right). (1-PVDF microfiltration membrane; 2-wood; 3-sponge; 4-filter paper; 5-cotton; 6-fabric).
(b) SEM images of the pristine substrates, substrates decorated with nano coating, and substrates decorated with TA@APTES@Fe3+ coating. The scale bar is 1 μm.
文章链接:
Versatile coating with multifunctional performance for solar steam generation
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285520304432
作者简介:
王振兴，博士，讲师
2017年1月毕业于哈尔滨工业大学，并于同年加入南昌大学李越湘教授课题组，曾在新加坡南洋理工大学联合培养一年。目前主要从事基于贻贝仿生的表/界面改性技术的开发及在水处理中的应用研究，开发了TA-APTES涂层并进行了系列研究。以第一作者/通讯作者身份发表科研论文20篇，包括Matter，Nature Communications, Materials Horizons, Nano Energy等，引用1900余次，H因子23。
李越湘，博士，教授
南昌大学化学学院二级教授，博士生导师。江西省高校中青年学科带头人, 中国化学会电化学专业委员会委员。曾任中国太阳能学会氢能专业委员会委员。主要从事光催化、电催化及光电催化等太阳能转化研究。以通讯作者/第一作者身份在Matter，Nano Energy, Applied Catalysis B: Environmental, Journal of Materials Chemistry A 等国内外期刊发表论文130余篇。2014-2019年连续入选国际著名出版商Elsevier发布的中国高被引学者榜单，2016年获江西省自然科学奖二等奖，2011年和2013年2次获江西省高校科技成果一等奖，2012年获江西省优秀研究生导师称号。
资料来源：http://www.polymer.cn/ss/yuexiangli/profile.html
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