利用三维拱形太阳能蒸发器增强太阳能驱动的蒸汽产生和水净化利用太阳能蒸发器产生蒸汽的策略已被广泛认为是缓解全球淡水危机的有效手段之一。减少热损失是提高蒸发效率的有效途径，而这在过去的三维蒸发器中一直被忽视。
本文通过碳纳米管的逐层组装和聚乙烯醇的浸渍涂层，制备了一种超亲水性光热织物。所得光热织物被设计为三维拱形太阳能蒸发器(ASE)。拱形结构允许光热织物通过控制ASE的高度来实现双面水蒸发和均衡的盐水供应。该ASE能有效捕获入射阳光，并表现出优异的热管理性能，在1次太阳照射6小时的情况下，盐水蒸发通量为1.015-3.400 kg·m−2·h−1。此外，该ASE对高盐度盐水、有色废水和重金属废水均表现出优异的水净化效果。这项工作为通过调节咸水供应平衡的新兴太阳能蒸汽产生系统提供了新的见解。
受桥梁和温室等常见拱形结构的启发，使用超亲水性光热织物设计了3D拱形太阳能蒸发器(ASE)168娱乐app下载。拱形结构限制了空气-水界面向大体积水的热量传递，并通过调节拱形高度来优化盐水供应，保证了最佳的热量分布，促进了盐水的高效双面蒸发(图1)。此外，在拱形超亲水光热织物下放置了一层面积稍大的滤纸。引起了ASE边缘盐的局部结晶和迁移。结果表明:在1.0太阳照射下，不同高度的ASE在蒸发表面均未发生盐结晶，盐水蒸发通量在1.015 ~ 3.400 kg·m−2·h−1之间;ASE在处理高盐度盐水和废水方面也很有效，证明了其在这种具有挑战性的水源的持续水净化方面的潜力。具有成本效益和可扩展的ASE可以在大面积上组装，以最大限度地收集阳光，为面临能源和水资源短缺的地区提供了直接有效的解决方案。
采用分层自组装技术制备了具有捕获太阳光能力和良好光热转换性能的碳纳米管涂层织物。本文选择原始白色织物(厚度为402 μm)作为柔性衬底，因为它具有优异的机械性能和可扩展生产的低成本(图2a和b)。扫描电镜图像显示，原始织物由许多交织的纤维组成，具有高孔隙率。随着LbL循环次数的增加，原始织物纤维表面典型的光滑结构(图2c、d)逐渐消失，取而代之的是由无数纳米级碳纳米管组成的微纳粗糙三维网络结构(图2e、f、g)。这种三维网络结构促进了入射阳光的多次散射，增强了其吸收。同时，随着LbL循环次数的增加，织物的颜色由白色变为黑色，这证实了越来越多的CNTs被加载到纤维表面。SEM图像和热重分析进一步证实了这一观察结果。热重曲线显示，随着LbL循环次数的增加，残余质量逐渐增加，表明样品中CNTs含量增加。然而，经过10次组装后的光热织物(，厚度425 μm)表现出优异的疏水性，水接触角为146.2◦(图2e插入)，这可能是由于无数纳米级碳纳米管形成典型的微纳粗糙结构(图2e - g)，可能导致盐分水供应不足，从而降低了蒸发通量。
在制备的光热织物中，碳纳米管主要通过静电相互作用加载到织物上，因此在实际应用过程中，碳纳米管可能会在盐水中脱落。为了提高CNTs在纤维上的稳定性，增加光热织物的吸水能力，采用PVA作为亲水性粘合聚合物对光热织物进行改性，使光热织物成为超亲水性PVA@CNTs@织物。值得注意的是，由于中出现了无数纳米级碳纳米管，因此只需将其浸在PVA水溶液中即可轻松获得PVA@CNTs@织物。光热织物表现出有趣的超亲水性(图2h插入)，并为蒸发器提供恒定的盐水供应。此外，PVA涂层的存在将CNTs牢牢地锚定在纤维表面(图2h-j)，使PVA@CNTs@织物具有优异的力学性能。更重要的是，PVA@CNTs@织物表现出显著的结构完整性，即使在超声处理60分钟时也没有光热成分的损失。这些结果对于构建长期稳定的太阳能驱动蒸发器具有重要意义。
最佳的太阳能蒸发器应能有效地捕获和吸收太阳光，并具有快速的光热转换能力。这些特性很大程度上取决于沉积在纤维上的碳纳米管的数量。如图3a和b所示，随着LbL周期数的增加，在整个太阳波长范围(200-2500 nm)内-n (n为LbL周期数，n = 1,3,5,7,10,12)的反射率逐渐降低至10%，而透过率接近于0。然而，当LbL循环次数进一步增加到12次时，-12的太阳反射率和透射率变化不大。因此，对进行PVA改性，并进行进一步的研究。更重要的是，与相比，PVA@在整个太阳波长范围内(200-2500 nm)的太阳反射率和透射率变化不大(图3a和b)。同时，PVA@的太阳吸收率为96.2%，与(96.8%)相似。这表明PVA涂层改善了的性能，但对其光学性能的影响很小。
为了评价-n(其中n = 1,3,5,7,10,12)和PVA@CNTs@织物的光热转换性能，将样品放置在聚苯乙烯泡沫盒中，在太阳照射下，使用红外摄像机和热电偶监测温度变化。值得注意的是，-n (n = 1,3,5,7,10,12)和PVA@CNTs@织物的表面温度在5分钟内迅速达到平衡，这是由于优异的太阳捕获能力(图3c)，这表明了对太阳辐射的快速光响应。同时，在辐照5min时和达到温度平衡后，用红外相机拍摄样品的热像。与原始织物相比，和PVA@CNTs@织物在1.0太阳照射下5分钟的温度分别达到78.4℃和78.2℃，而和PVA@CNTs@织物的最终平衡温度分别保持在79.6℃和78.6℃。因此，PVA@展示了出色的太阳能捕获能力和非凡的光热转换性能，为设计太阳能驱动蒸发器提供了稳定可靠的基板。
受拱形结构的启发，采用PVA@设计为三维拱形蒸发器，由四个主要功能层组成(图4a)。除了与二维平面蒸发器相同的顶部光热层、保温层和供水通道外，在PVA@CNTs@织物下方铺设滤纸作为盐迁移层，并一起设计为拱形。值得注意的是，ASE的光热层和隔热层之间的中央拱形腔提供了出色的隔热性能和双面蒸发(空气的导热系数为0.026 W· m−1·K−1,27◦C)。此外，除了确保出色的热管理外，还应评估供应盐水的能力，以确保连续蒸汽产生。
超亲水性PVA@CNTs@织物具有强盐水供应，可能导致纤维内大量盐水积聚，这将降低热利用率和蒸发通量。因此，确定ASE的最佳高度以保证供水至关重要。单个拱形蒸发器的宽度(X)确定为1.5 cm，蒸发器内的盐水通过调节ASE垂直方向的高度(H)来调节，其中光热层产生的一部分热量被最上层的盐水利用，其余热量通过ASE侧壁向下传递。热量在适当的高度被完全消耗，避免了热量损失，最终获得了优异的蒸发性能。图4b为蒸发过程中不同高度的ASE照片。随着ASE高度的增加(ASE的不同高度记为ASE- x，其中H分别代表0 cm、0.5 cm、1 cm、1.5 cm、2 cm、2.5 cm、3 cm、3.5 cm和4 cm的高度)，织物的面积和暴露在空气中的空腔尺寸显著增加，进一步扩大了蒸发面，提供了出色的热屏蔽性能(图4b)。最初，ASE-0在1次太阳照射下，蒸发通量较差，为1.015 kg·m−2·h−1，能量转换效率较低，为63.20%(图4c、d和e)，与二维平面蒸发器几乎相同。
本研究采用超亲水性PVA@CNTs@具有高吸收率的织物，并使用滤纸，设计并开发了一种新型的拱形蒸发器。ASE的特殊结构减少了由于漫反射造成的太阳能损失，并通过调节ASE的高度来平衡供水，使其具有高吸收量、优异的热屏蔽性能、优异的耐盐性和双面蒸发等特点，实现了连续、稳定、高效的制汽。结果表明，在3.5 wt% NaCl水溶液中，在1次太阳照射6 h下，ASE的蒸发通量为1.015 ~ 3.400 kg·m−2·h−1。
同时，对高浓度盐水、真实海水和废水均表现出优异的蒸发性能和非凡的离子去除能力。此外，ASE在室外表现出显著的长期稳定性，在不同天气条件下表现出优异的蒸发性能。低成本、可扩展、高效的ASE为实现实际应用中的高通量太阳能蒸汽发电提供了新的途径，在解决偏远和欠发达地区的淡水短缺方面显示出巨大的潜力。