苏州大学方剑教授团队——光热海水淡化用三维双层多级热管理织物

苏州大学方剑教授团队——光热海水淡化用三维双层多级热管理织物

论文标题：Three-Dimensional Double-Layer Multi-Stage Thermal Management Fabric for Solar Desalination

论文链接： https://www.mdpi.com/1996-1944/17/17/441

期刊主页： https://www.mdpi.com/journal/materials

作者介绍

通讯作者：方剑 特聘 教授 苏州大学

方剑，苏州大学纺织与服装工程学院 特聘 教授，博士生导师。长期从事功能性纤维材料、柔性可穿戴智能纺织品、和高性能纺织品研究。入选第十五批“海外 高层次人才 计划”青年项目，2019年入选“姑苏创新领军人才”计划，2020年入选江苏省 “双创人才”。现任中国纺织工业联合会纺织行业智能纺织服装柔性器件重点实验室主任，中国纺织工程学会青年工作 委员 会 委员 ，中国工程院院刊Engineering青年通讯专家，Advanced Fiber Materials、Nano-Micro Letters和eScience青年编委。近年来已主持和参与科研项目20项，迄今已在Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Nature Communications, Small, Nano Energy, Applied Catalysis B: Environmental等国际学术期刊发表文章130余篇，学术著作3部，编辑图书1部，图书章节8章。

第一作者：冯枭 硕士研究生 苏州大学

苏州大学纺织与服装工程学院 纺织工程专业硕士研究生。主要研究方向为纤维材料的光热调控，相关成果目前已发表SCI论文2篇。

研究背景

目前，界面太阳能水蒸发（ISSG）能够局域化地将清洁太阳能转化为热能，并在气液界面直接净化海水，并通过蒸发冷凝作用直接获取清洁淡水，ISSG可以通过简便、低成本的方法实现绿色可持续的海水淡化解决淡水稀缺问题。但是在ISSG过程中热能不可避免地通过热辐射、热反射、热对流和传导损失，这导致蒸发过程中大量的热能损失。

来自苏州大学纺织与服装工程学院的方剑教授团队在Materials 期刊上发表了文章“Three-Dimensional Double-Layer Multi-Stage Thermal Management Fabric for Solar Desalination”以亲水性天丝纤维为基材，具有宽带谱强光吸收性、高化学稳定性、亲水性好的氧化石墨烯作为光热转换材料，通过传统纺织加工法设计了一种三维的双层中空结构的光热织物蒸发器（DLE）。通过调控纱线结构和织物组织结构形成了三维双层蒸发面，加大了对太阳光多级吸收利用；蒸发过程中，下层蒸发面可以回收上层蒸发面的废热用于水蒸发，立体侧翼结构可以从环境和水体中吸收热量实现冷蒸发；形成的特殊双层中空结构还可利用环境中的风能优化蒸发速率，如图1所示是DLE的制造过程、模型图和微观结构。

图1（a）DLE的制造流程图；（b）DLE的模型图；（c）-（e）DLE的SEM图；（f）DLE和天丝的红外光谱图

研究过程与结果

图2.（a） DLE Hs在1个太阳辐射下运行60分钟后的红外热成像，（b）DLE Ds的初始和稳态红外热成像。

图3（a） DLE-Hs在1次太阳辐射下的稳定顶面、底面和侧面温度，（b）DLE-Ds在1次阳光辐射下稳定的上下表面温度。

图4（a）海水淡化性能测试装置图，（b）DLE Hs在运行60分钟后的质量变化和（c）DLE Ds在1个太阳辐射下的质量变化。

图5（a）加载风能后的蒸发示意图，（b）低风速下GOT-F、DLE-H4、DLE-D2在1个太阳下的蒸发率，（c）不同风速下DLE-H4和DLE-D2的蒸发率。

图6（a）DLE-D2在1次太阳辐射下运行8小时的质量变化，（b）DLE-D2洗涤前后的蒸发率，（c）DLE-D2在1次阳光辐射下10次循环后的蒸发率和质量变化，以及（d）摩擦处理和长循环后的SEM图像。

图7（a）DLE-D2在1次太阳辐射下三种不同浓度盐水中的质量变化，（b）DLE自清洁图，（c）DLE-2在1kw·m-2太阳强度下在盐水中运行8小时的质量变化曲线，（d）-（f）DLE处理的染料废水的紫外-可见吸收光谱。

研究总结

本文通过织物组织设计和织造工艺制备的三维光热织物具有独特的实用性，采用三维双层蒸发面料，通过调节结构的设计形成中空拱形。这增加了实际太阳能面积，扩大了太阳能的多级利用，提高了蒸发器的热能利用率。在蒸发过程中，来自上表面的废热可以通过对流辐射转移到下表面。由于温差，侧翼可以从环境中捕获额外的热量，以实现冷蒸发，减少从顶部到底部的热损失。总的来说，这些工程措施能够提高蒸发器的效率和持久性，帮助太阳能海水淡化技术能够更加适应实际需要以满足人类日常生活需求。

Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada; Prof. Dr. Yuguang Ma, South China University of Technology, China

主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。

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