厦门大学侯旭教授团队工作：网状骨架CVD生长碳纳米管用于重盐水脱盐

主要亮点

本文利用化学气相沉积(CVD) 技术，在不锈钢网状骨架上生长碳纳米管形成光热转换活性区，以实现高效光吸收、光热转换，并进一步设计了房屋型太阳能蒸发器，其中盐水表面被微米网状-碳纳米管蒸发膜覆盖，利用光热转换过程产生的热量驱动重盐水中的水蒸发，最后对水蒸气进行冷凝回收实现脱盐。

研究背景：意义、现状

水资源短缺已成为人类社会所面临的最严重的全球性挑战之一。如何将储量丰富的海水转换成可直接供人类使用的淡水是目前急需解决的问题。太阳能海水淡化技术由于成本低、能耗低、环境友好等优点被认为是一种很有发展前景的海水淡化技术。碳基材料，如石墨烯、炭黑、碳纤维碳纳米管等，是一类新型的光热转换材料，具有涵盖整个太阳光光谱的光吸收能力。其中，碳纳米管是一种超黑材料，它对太阳光光谱范围内所有波长的光都具有很好的吸收能力。碳纳米管独特的一维管状结构还使其具有良好的脱盐性能，这些优异的特性使碳纳米管成为一种新型的海水淡化材料。本文通过构筑基于碳纳米管的多孔微结构，在网状骨架上生长碳纳米管制备网状碳纳米管膜，来实现太阳能蒸发重盐水。

核心内容

1. 微米网状-碳纳米管膜的制备

1.1 化学气相沉积法制备微米网状-碳纳米管膜

采用化学气相沉积(CVD) 法制备微米网状-碳纳米管膜。首先将不锈钢网浸泡在无水乙醇中超声清洗30 min，去除有机杂质。将干燥后的不锈钢网置于石英板上，将石英板送入管式炉。在化学气相沉积过程中，使用甲苯为碳源，二茂铁为催化剂，完成生长步骤后，关闭碳源并同时将管式炉冷却至室温，从炉内取出生长结束的微米网状-碳纳米管膜。为了提高此微米网状-碳纳米管膜的碳纳米管含量，将其再次放入管式炉中，以相同的实验条件再次生长3 h，最终获得碳纳米管含量更高的微米网状-碳纳米管膜。

1.2 机械填充法制备微米网状-碳纳米管膜

化学气相沉积法不仅会在不锈钢网上生长碳纳米管，也会在石英板上生长碳纳米管。用刮刀从石英板上刮取碳纳米管，得到碳纳米管粉末，并通过压力将不同质量的碳纳米管粉末填充到不锈钢网上制备得到不同填充百分比的微米网状-碳纳米管膜，与气相沉积法制备的微米网状-碳纳米管膜作对比试验。

图1 (a) 化学气相沉积法制备微米网状-碳纳米管膜的过程示意图；(b) 机械填充法制备微米网状-碳纳米管膜的过程示意图。

2. 微米网状-碳纳米管膜的光热性能及海水淡化

2.1 微米网状-碳纳米管膜的电子显微镜照片

图2a，b 的电子显微镜照片显示化学气相沉积法制备微米网状-碳纳米管膜依旧保留着不锈钢网的基本结构，该结构孔径大概为15 μm。图2b 显示，碳纳米管生长在不锈钢网丝的各个方向上，可以将这种结构比喻为一个纳米刷，由于不锈钢网规则的网状结构，多个纳米刷整齐排列形成了一个微米过滤器。更重要的是，网状骨架表面都有一些竖直排列的碳纳米管，这种直立的碳纳米管的表面结构可以大大降低光的反射，从而提高材料对太阳能的吸收。图2c 显示，碳纳米管的长度通常大于5 μm。参考图2d，生长在不锈钢网上的碳纳米管的外径大约为50 nm，这一数值远小于不锈钢网的孔隙，显示出该材料中的碳纳米管具有较大的长径比。

图2 化学气相沉积法制备的微米网状-碳纳米管膜在(a) 低倍和(b–d) 高倍条件下的显微镜图像。

2.2 微米网状-碳纳米管膜的光热性能

将化学气相沉积法制备的微米网状-碳纳米管膜、机械填充法制备的微米网状-碳纳米管膜1、机械填充法制备的微米网状-碳纳米管膜2置于太阳光模拟器下。用红外热成像观察其表面温度 (如图3)，三种膜的平衡表面温度在太阳光功率密度为4 kW·m−2 时均能达到150.2 °C，说明其具有较高的光热性能。

图3 太阳光模拟器下的膜的光热转换性能测试。(a) 太阳光光照条件下微米网状-碳纳米管膜表面温度变化红外热成像实验装置示意图；(b) 太阳光功率密度分别为1，2，3，4 kW·m−2 时微米网状-碳纳米管膜表面温度变化趋势图；(c) 太阳光功率密度为4 kW·m−2 时微米网状-碳纳米管膜表面的温度(°C)分布红外热成像图。

2.3 微米网状-碳纳米管膜的重盐水淡化性能

如图4a 所示，太阳光功率密度为1 kW·m−2 时，化学气相沉积法制备的微米网状-碳纳米管膜的水蒸发速率是0.5440 kg·m−2·h−1，机械填充法制备的微米网状-碳纳米管膜1的水蒸发速率是0.4150 kg·m−2·h−1，械填充法制备的微米网状-碳纳米管膜2的水蒸发速率是0.3350 kg·m−2·h−1。

图4b 为对化学气相沉积法制备的微米网状-碳纳米管膜进行的脱盐率测试实验的实验结果，C1 为100 g·L−1 是蒸发前Cl− 的浓度，C2 为0.0775 g·L−1 是蒸发后Cl− 的浓度，化学气相沉积法制备的微米网状-碳纳米管膜的脱盐率为99.92%。

图4 太阳光蒸发器蒸发性能及脱盐效果。(a) 化学气相沉积法制备的微米网状-碳纳米管膜(MFRM1) 与机械填充法制备的微米网状-碳纳米管膜(MFRM2) 的蒸发速率及能量利用效率对比图；(b) 化学气相沉积法制备的微米网状-碳纳米管膜脱盐率测试结果。

结论与展望

综上所述，本文设计并制备了能够实现太阳能驱动水蒸发的微米网状-碳纳米管膜。这种膜材料以网状骨架为基底，网状骨架上生长的碳纳米管是这种材料的光热转换活性中心，这种膜材料对太阳光具有较好的吸收效果。经过太阳光蒸发器的结构设计，本文提供的太阳光蒸发器可以实现较高蒸发速率的重盐水脱盐，并且脱盐率可以达到99.92%。本文研究的微米网络-碳纳米管膜以及轻巧便携式的太阳能蒸发器，将为人们迅速汲取饮用水，利用太阳光处理污水或者重盐水，将海水变为可饮用的纯水提供一个快速便捷的方法。