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纳米纤维与太阳能的相遇:电纺技术引领太阳能蒸汽发电


1. 摘要:

太阳能蒸发是一种可持续、绿色的方法,可以有效地将太阳能转化为热能来净化海水和废水,从而缩小清洁水供应不足与人类需求之间的巨大差距。利用简单的静电纺丝技术制备的静电纺丝材料可以与功能光热材料相结合,在太阳能水蒸发方面具有各种优越的优势。本文综述了电纺纳米纤维蒸发系统的最新进展,同时也激发了基于电纺纳米纤维的光热系统在太阳能水蒸发、光热治疗、发电等相关领域的应用研究。

 

基于静电纺丝纳米纤维高比表面积、高孔隙率、结构可调、超柔性以及太阳能材料的多种掺入技术的优点,通过静电纺丝技术制备的纳米纤维基材料显示出通过太阳能蒸发从盐水和污染废水中产生清洁水的巨大潜力(图1)。然而,很少有综述强调通过静电纺丝将电纺纳米纤维基材料用于太阳能蒸发。在此根据整个静电纺纳米纤维蒸发系统的示意图 ,回顾了静电纺丝纳米光纤蒸发系统的最新成就,如图所示。详细介绍了静电纺丝纳米纤维蒸发器中的静电纺丝分类、聚合物和可用的太阳能材料。

图1本文所述的整个电纺纳米纤维蒸发系统示意图

 

2. 研究亮点:太阳能材料的整合策略电纺纳米纤维蒸发系统

太阳能吸收材料可以通过各种方法结合到电纺纳米纤维蒸发系统中。然而,为了更好地理解和开发电纺纳米纤维蒸发系统系统的组织和合理的分类是必不可少的。太阳能吸收材料在电纺纳米纤维蒸发系统中的掺入策略可分为四种不同的技术即混合、涂覆、碳化和原位生长

 

2.1 混合:

混合通常用于电纺纳米纤维蒸发系统可分为预混合和后混合。在静电纺丝之前,在聚合物溶液中预混合太阳能材料是最方便和广泛使用的方法(图2a)。在分散到聚合物溶液中后,太阳能吸收材料可以容易地封装在所得的电纺纳米纤维材料中。Chen等人制造了用于太阳能蒸汽发电的电纺PCL/CNTS/CNPS复合材料。在制备过程中将CNTS或CNPS的功能性太阳能材料混合在PCL溶液中以产生均匀的纺丝溶液。在类似的方法中,构建了用于太阳能水蒸发的GO/PVA电纺纳米纤维蒸发器,其中将GO粉末和PVA混合在水中以形成电纺溶液。或者,后混合可以使用电纺纳米纤维作为骨架将太阳能材料结合到3D结构材料(例如气凝胶、水凝胶和醇凝胶)中(图2b)。

图2 太阳能材料加入电纺丝纳米纤维蒸发系统的混合示意图:(a)预混合和(b)后混合。

 

2.2 涂层:

涂层已被广泛开发用于将太阳能吸收材料结合到电纺纳米纤维蒸发系统中。涂层可以通过各种方式进行如浸涂、喷涂、旋涂、辊涂、刮刀涂、气相沉积和电泳沉积。其中,浸渍涂层和喷涂涂层在电纺纳米纤维蒸发器中应用最为广泛。通过将电纺材料漫入充满太阳能材料的悬浮溶液中可以方便地使用浸渍涂层赋予电纺材料光热特性(图3a)。对于喷涂将太阳能吸收材料均匀分散在溶剂中,并使用喷枪或圆盘喷要要化器将悬浮液的细液滴扩散到电纺材料的表面(图3a)。

图3 太阳能材料在电纺纤维蒸发系统中的涂层示意图:(a)浸涂和喷涂示意图。

 

2.3 碳化:

碳化可以将电纺PAN纳米纤维转化为不同形式的碳纤维,用于电纺纳米纤维蒸发器。PAN碳纤维的制备分为三个主要阶段 :静电纺丝制造、预氧化和碳化(图4a)。在静电纺丝中,PAN聚合物溶解在溶剂中,如二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或二甲基亚砜。纺丝态PAN纳米纤维快速形成在静电拉伸和溶剂挥发下。预氧化通常在180至300℃的空气中进行,这是热塑性和线性PAN大分子链转化为具有耐热性的非塑性梯形结构的关键阶段。这使它们能够在高温碳化过程中保持纤维形态和热力学稳定性。在预氧化阶段,初生PAN纤维经历非常复杂的物理和化学变化,包括环化、氧化和脱氢反应(图4a)。

 

碳化作用主要可分为低温碳化(惰性气氛,300-1000℃)和高温碳化(有性环境,1000-1500℃)。低温碳化有利于交联和芳构化反应、含氧基团重排、芳构化结构和碳基面的形成。对于高温碳化,发生芳构化反应、缩聚和环状分子链之间的重排: 碳网络平面随着非碳元素的去除而生长最终形成石墨结构。碳化的目的是以将预氧化结构转变为类石墨结构。碳化包括去除非碳元素(即H、O和N),以形成碳含量高于90%的高性能碳纤维。

 

所得PAN碳纳米纤维可以三种形式用于电纺纳米纤维蒸发系统:

(1)直接用作电纺纳米纤维蒸发器中的光热层(图4b)。

(2)将研磨的碳化PAN粉末添加到其他基质或3D材料中以形成光热复合材料 (图4c)。

(3)首先基于电纺PAN纳米纤维构建3D材料,然后碳化以构建光热复合材料(图4d)。Wu等人通过静电纺丝和碳化开发了一种多孔碳膜蒸发器。所制备的多孔膜表现出显著的太阳能吸收和太阳能光热转换性能。Liu等人报道了电纺PAN衍生的碳纤维/丝素蛋白复合气凝胶,以实现高的水蒸发性能和抗盐能力。

 

碳化可以直接形成PAN基碳膜用于太阳能蒸发。其他优点包括高的太阳能吸收能力和可调节的膜结构。此外,PAN是目前可用于碳纤维碳化的主要且几乎唯一的原料。然而,碳纤维的力学性能差和碳化过程中的高能耗是商业生产和实施的主要问题。

图4 太阳能材料加入电纺纳米纤维蒸发系统涂层示意图:(a)碳化示意图;(b)直接用于电纺纳米纤维蒸发系统的PAN碳纳米纤维;(c)研磨碳化PAN纤维作为3D蒸发器的光热添加剂;(d)构建基于电纺PAN纳米纤维的3D材料。

 

2.4原位生长

原位生长是最通用的材料负载方法之一,但很少应用于基于电纺纳米纤维的光热系统。然而,这种方法在电纺纳米纤维蒸发器上嵌入功能性太阳能吸收材料方面显示出良好的前景。事实上,通过原位生长,可以在电纺纳业纤维上种桔久种大阳能吸收材料,如等离子体金属子体材料。有多种方法可用于原位生气相原位生长非常方便,有望将太阳纳米纤维蒸发器中。在生长过程中,光反应加载在气相或液相气氛中的基底表面。Sun等人通过使用化学气相比硅纳米纤维上原位生长CNT合成了脱盐膜(图5a)。所得到的复合膜显示出超粗糙和导致稳定的水通量和>99.9%的高排盐率。

 

Kim等人通过优化的温控工艺,成功地在电纺碳纳米纤维上原位合成了碳纳米管。Lu等人报道了三维核-壳分层电纺碳纳米纤维异质结构,其中TiO2和二硫化钼(MoS2)纳米片分别原位生长在碳纳米纤维上(图5b)。Molco等人通过两个步骤制备了嵌入金属有机框架 MOF的电纺纤维。最初,将含有MOF前体的聚合物溶液制成纳米纤维:随后,通过反溶剂诱导结晶引发MOF原位生长。图5c显示了电纺纳米纤维、MOF的原位生长和MOF的放大图像。Li等人报道了过渡金属硫化物复合材料NiMoS3纳米颗粒通过硫化原位生长在电纺碳纳米纤维上。与其他方法相比,原位生长具有更好的光热材料与所得电纺纳米纤维的粘附性。然而,只有有限的光热材料可以用于气相原位生长。至于液相原位生长,所使用的溶剂具有环境安全风险,生长溶液的回收和进一步的工业生产面临许多挑战。

图5 电纺纳米纤维蒸发系统中太阳能材料涂层示意图:(a)电纺二氧化硅纳米纤维上碳纳米管森林生长示意图。(b)静电纺丝纳米纤维TiO2@MoS2原位生长示意图。(c)电纺丝纳米纤维、mofbedded纤维的SEM图像和MOF的放大图像。

 

3.结论:

静电纺丝材料作为一种介质起着重要作用吸收太阳能、传递热量和蒸发水分在蒸发系统中。综述了电纺纳米纤维纯化水的研究进展蒸发系统。太阳能的整合策略电纺纳米纤维的材料与系统结构系统地讨论了蒸发器。四种策略,即混合、涂覆、碳化,和原位生长,已被用于结合太阳能材料进入电纺纳米纤维蒸发系统。电纺的太阳能蒸发性能可以通过调整来增强纳米纤维蒸发系统太阳能吸收特性、热管理,或使用巧妙的水道。对于基于电纺纳米纤维的蒸发器,精细的结构设计是有效的以增强太阳能吸收、热管理和水供给。在电纺纳米纤维蒸发系统的实际应用,建立标准的评估方法效率对于比较和提高不同电纺纳米纤维蒸发系统的性能很重要。加强现有技术并持续材料工程新方法的发展需要进行结构设计以获得用于现场应用的长期蒸发过程。最后,升级目前大规模生产纳米纤维的方法是必不可少的用于实际的工业实施。总之,本综述的目的不仅仅是为了为读者提供了一个全面的了解电子纺纳米纤维蒸发系统,同时也促进了电纺纳米纤维蒸发系统的发展用于未来的基础研究和工业应用。

 

作者:Zhao,JH(Zhao,Jianghui);Liu,Z(Liu,Zhi);Low,SC(Low,SiewChun);Xu,ZZ(Xu,Zhenzhen);Tan,SH(Tan,Soon Huat)

期刊名:ADVANCED FIBER MATERIALS

影响因子:16.1

Doi:10.1007/s42765-023-00286-4

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