[发明专利]用于太阳能界面蒸发的纳米纤维膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种用于太阳能界面蒸发的纳米纤维膜及其制备方法和应用。所述方法利用苯胺阳离子在静电作用下吸附在外表面呈负电的埃洛石纳米管表面，在过硫酸铵作用下原位聚合生成聚苯胺，得到表面包覆聚苯胺的埃洛石纳米管，然后通过界面烧结和氢键驱动，棒状的PANI/HNTs固定在PU纳米纤维膜表面，由于纤维膜粗糙的多层级表面结构，协同聚苯胺和埃洛石的亲水性，得到超亲水PANI/HNTs@PU膜。本发明的复合纤维膜具有优异的光热转换性能和力学性能，以其为界面蒸发器构建的太阳能海水淡化蒸发装置，可实现高效光热转换、快速水输运及优异的阻盐效果。

技术领域

本发明涉及太阳能海水淡化技术领域，具体涉及一种用于太阳能界面蒸发的纳米纤维膜及其制备方法和在海水淡化中的应用。

背景技术

太阳能界面蒸发技术具有成本低、操作简单、效率高等优点，在海水淡化出力领域受到广泛关注。在这种技术中，吸收的光转换的热量被限制在水和太阳能吸收器之间的界面上。

纳米纤维膜具有多孔结构和大比表面积，通常用作吸光纳米填料(大多数情况下为碳纳米材料)的支撑基质。当将吸光纳米填料例如炭黑纳米颗粒、碳纳米管等分散在聚合物溶液中进行静电纺丝时，纳米填料主要分布在纳米纤维内部，尤其是在相对较低的浓度时。只有当吸光纳米填料的含量超过临界值时，其中一些才能位于纳米纤维表面。这意味着吸光纳米填料需要以高浓度加入到纳米纤维中，才能确保足够的光吸收。然而，高纳米填料含量不仅会大幅增加溶液粘度，从而使静电纺丝更加困难，还会导致纳米填料聚集，从而导致机械性能恶化。

为了在保持纳米纤维膜柔韧性的同时实现强光吸收，纳米填料被设计为锚定在纳米纤维表面。文献1将预拉伸聚氨酯(PU)纳米纤维膜浸入多巴胺溶液中，在超声波浴中进行反应，制备了一种可拉伸、抗油污的聚多巴胺(PDA)/碳纳米管(CNTs)纳米纤维膜。水滴在30秒会扩散到PDA@CNT/PU膜的表面，最终水接触角约为7°(M.T.He,H.J.Liu,L.M.Wang,etal,One-step fabrication of a stretchable and anti-oil-fouling nanofibermembrane for solar steam generation dagger,Mater.Chem.Front.5(2021)3673-3680.)。掺杂了盐酸的聚苯胺因为其高吸光度和较为不错的亲水性，近年来被逐渐作为吸光材料应用于海水淡化中。文献2将商用聚偏氟乙烯膜(PVDF)浸泡于苯胺溶液中，通过聚合反应在聚偏氟乙烯表面负载聚苯胺，制备得到PANI@PVDF膜用于海水淡化，但是该材料并不能实现超亲水，最后海水淡化效率只达到了85％(Y.Zou,X.F.Chen,W.C.Guo,etal,Flexible and Robust Polyaniline Composites for Highly Efficient and DurableSolar Desalination,ACS Appl.Energy Mater.3(3)(2020)2634-2642.)。埃洛石(HNTs)由于其亲水性及中空的管腔，在海水淡化领域也有所应用。文献3将埃洛石和石墨烯(GO)混合分散于水中，通过冷冻干燥和高温碳化制备得到GO-HNT，用于海水淡化，但埃洛石及石墨烯本身机械性能较差，很难用于长期的海水淡化中(M.M.Xia,L.H.Chen,C.T.Zhang,etal,Porous architectures based on halloysite nanotubes as photothermal materialsfor efficient solar steam generation,Applied Clay Science 189(2020)105503.)。由上述可知，要实现超亲水性，从而实现快速的水输送，以及高效蒸发和蒸汽逸出的大界面面积，仍然具有挑战性。此外，由于膜内相对较小的孔隙，盐在材料表面积聚，沉淀的盐会降低光吸收，并堵塞纳米纤维之间的孔隙，导致太阳能蒸发性能急剧下降，是亲水性纳米纤维复合膜另一个亟待解决的问题。

发明内容