受自然界水循環(huán)過(guò)程的啟發(fā)，利用太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)水蒸發(fā)獲得清潔淡水受到了研究者們的廣泛關(guān)注。在自然蒸發(fā)條件下，太陽(yáng)光的利用率較低，實(shí)際蒸發(fā)較慢。研究者們嘗試將具有良好光吸收和光熱轉(zhuǎn)化能力的光熱膜材料應(yīng)用到太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)體系中，以提高蒸發(fā)效率。

以往研究表明，具有可控微結(jié)構(gòu)的粗糙表面能夠有效降低對(duì)光的漫反射率，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光全波段的有效吸收，有利于實(shí)現(xiàn)高效的水蒸發(fā)。但是，表面微結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑方式較為復(fù)雜，往往需要特殊設(shè)備或手段輔助完成，由此提升了膜材料制備的難度及成本。

據(jù)此，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所研究員江河清帶領(lǐng)的膜分離與催化團(tuán)隊(duì)提出，利用不同維度納米材料的復(fù)合策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)光熱膜表面微結(jié)構(gòu)的調(diào)控，從而提高光捕獲效率，獲得理想的光熱蒸發(fā)效率。

研究人員通過(guò)將二維石墨烯與一維碳納米管二者復(fù)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單一組分有序結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，增加了光熱膜的表面粗糙度。通過(guò)這種表面微結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，太陽(yáng)光光譜范圍內(nèi)的漫反射能夠降低到4.7%以下，光照下的膜表面溫度可達(dá)77℃。無(wú)序的堆積增大膜內(nèi)孔隙率，有利于水分子在膜內(nèi)的傳輸及擴(kuò)散。相比于自然蒸發(fā)，基于該種納米復(fù)合光熱膜的蒸發(fā)過(guò)程效率提高了190%，太陽(yáng)光利用率超過(guò)80%。

基于二維石墨烯與一維碳納米管的納米復(fù)合光熱膜制備示意圖

在實(shí)際應(yīng)用中，該研究提出的納米復(fù)合光熱膜不僅能夠在含有酸、堿以及機(jī)污染物的模擬水樣中保持性能穩(wěn)定，同時(shí)能夠在不同含鹽量的海水中加快水蒸發(fā)，展現(xiàn)出了優(yōu)異的淡水生產(chǎn)能力。且此類光熱復(fù)合膜的制備過(guò)程簡(jiǎn)便，可以構(gòu)筑在不同的多孔基底上。該研究成果有望促進(jìn)太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)制備清潔淡水的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)高效、綠色、可持續(xù)的海水淡化以及應(yīng)急條件下的淡水保障。相關(guān)研究成果發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A上。

在線光熱蒸發(fā)測(cè)試系統(tǒng)（a）及光熱膜材料的太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)促蒸發(fā)性能測(cè)試（b-d）