静电纺光热转换纤维制备及其在太阳能驱动界面蒸发的应用

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.05.022

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (5): 129-136.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.05.022

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静电纺光热转换纤维制备及其在太阳能驱动界面蒸发的应用

陈晓青¹, 梁家豪¹^,²(), 谢文玉²(), 邵伟铭³, 王儒珍², 付文³, 蔡业彬¹

^1.广东石油化工学院能源与动力工程学院，广东茂名 525000
^2.广东石油化工学院环境科学与工程学院，广东省石油化工污染控制工程技术研究中心，广东高校石油化工污染控制重点实验室，广东茂名 525000
^3.广东石油化工学院材料学院，广东茂名 525000

收稿日期:2023-10-07 出版日期:2024-05-26 发布日期:2024-05-20
通讯作者: 梁家豪（1990—），男，讲师，从事新型材料开发与环境污染治理，liangjiahao0227@163.com
谢文玉（1970—），女，教授，从事新型材料开发与环境污染治理，gdmmxwy@163.com
E-mail:liangjiahao0227@163.com;gdmmxwy@163.com
基金资助:
茂名市科技计划项目(2022S041);广东石油化工学院人才引进项目(RC?XJ2022000302)

Preparation of electrospun photothermal conversion nanofibers and their application in solar⁃driven interface evaporation

CHEN Xiaoqing¹, LIANG Jiahao¹^,²(), XIE Wenyu²(), SHAO Weiming³, WANG Ruzhen², FU Wen³, CAI Yebin¹

^1.College of Energy and Power Engineering，Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China
^2.Key Laboratory of Petrochemical Pollution Control of Guangdong Higher Education Institutes，Guangdong Engineering Technology Research Center of Petrochemical Pollution Control，School of Environmental Science and Engineering，Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China
^3.School of Materials Science and Engineering，Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China

Received:2023-10-07 Online:2024-05-26 Published:2024-05-20
Contact: LIANG Jiahao, XIE Wenyu E-mail:liangjiahao0227@163.com;gdmmxwy@163.com

摘要/Abstract

摘要：

综述了静电纺丝技术对不同结构形式的光热蒸发膜的构筑与制备工艺，总结了不同静电纺光热膜材料在太阳能界面蒸发的应用现状，包括碳基复合膜、金属等离激元复合光热膜和半导体材料复合光热膜。最后，针对未来的研究方向提出了展望。

关键词: 太阳能, 界面蒸发, 静电纺丝, 纳米纤维, 海水淡化

Abstract:

This paper introduced the construction and fabrication technology of photothermal evaporation membranes with different structural forms through electrospinning. The current application status of different electrospun photothermal fibrous membrane materials for solar interface evaporation was summarized， including carbon⁃based composite fibrous materials， metal plasmon composite photothermal fibrous materials， and semiconductor composite photothermal fibrous materials. Finally， the future direction in the research of photothermal evaporation membranes was prospected.

Key words: solar energy, interfacial evaporation, electrospinning, nanofiber, seawater desalination

中图分类号:

TQ320.72⁺1

陈晓青, 梁家豪, 谢文玉, 邵伟铭, 王儒珍, 付文, 蔡业彬. 静电纺光热转换纤维制备及其在太阳能驱动界面蒸发的应用[J]. 中国塑料, 2024, 38(5): 129-136.

CHEN Xiaoqing, LIANG Jiahao, XIE Wenyu, SHAO Weiming, WANG Ruzhen, FU Wen, CAI Yebin. Preparation of electrospun photothermal conversion nanofibers and their application in solar⁃driven interface evaporation[J]. China Plastics, 2024, 38(5): 129-136.

图/表 8

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纤维膜类型	纤维膜	制备方法	制备工艺及关键参数	纤维形貌	蒸发速率/ kg·m^-2·h^-1	光热转换效率/%
单层纤维膜	PDA@CNT/PU复合膜^［13］	静电纺丝+原位聚合	U=15 kV、Q=1.2 mL/h静电纺制得PU/CNT纤维后置于pH=8.5的PDA溶液超声水浴6 h。	分层纳米结构，微纳级孔互相粘连	1.44	90.1
	PAN@PPy复合膜^［14］	静电纺丝+原位聚合	U=22 kV、D=15 cm、Q=0.5 mL/h静电纺制得PPy纤维后，60 ℃干燥12 h使PAN聚合。	孔隙丰富、纤维表面粗糙	1.63	83.5
	PVA/GO复合膜^［15］	静电纺丝法+热处理	U=15 kV、D=15 cm、Q=0.7 mL/h静电纺制得PVA/GO纤维，180 ℃热处理30 min。	介孔丰富、密度低	1.42	94.2
Janus结构纤维膜	PPG@PU/PDMS@PU⁃CNTs复合膜^［16］	两步静电纺丝	U=12 kV、D=15 cm、Q=0.5 mL/h静电纺制备PPG@PU纤维膜，U=10 kV、D=15 cm、Q=1.8 mL/h静电纺制备PDMS@PU⁃CNTs。	三维微孔结构，纤维膜界面紧密连接	1.34	—
	PMMA/PAN/CB复合膜^［17］	静电纺丝+喷涂沉积	在以U=14 kV、D=15 cm、Q=1.6 mL/h静电纺制得的PAN纤维膜上纺PMMA纤维膜（U=15 kV、D=15 cm、Q=3 mL/h），CB悬浮液喷涂至膜表面。	高度开放的三维微孔纳米纤维结构	1.30	72.0
	CA/PAN/CNT复合膜^［18］	静电纺丝+沉积	在以U=25 kV、D=15 cm、Q=1.0 mL/h静电纺制得的CA纤维膜上纺PAN纤维膜（U=18 kV、D=10 cm、Q=3 mL/h），CNT喷涂沉积在PAN膜表面。	无序填充的无纺布结构，碳纳米管附着在纤维表面	1.94	92.7
	TPC/CB复合膜^［19］	静电纺丝+涂覆	U=14 kV、D=28 cm、Q=0.5 mL/h静电纺制得TPC纤维膜，通过真空过滤和干燥涂覆上CB。	多孔胞腔结构，CB附着在纤维表面	1.80	97.2
3D网孔纤维气凝胶	PI/CNT纤维气凝胶^［20］	静电纺丝+热亚胺化	U=15 kV静电纺制得PI纤维，液氮冷却10 min后-20 ℃冷冻12 h，100、200、300 ℃热处理1 h。	三维网络结构，CNT均匀附着在纤维表面	2.08	—
3D网孔纤维气凝胶	全纤维气凝胶（AFA）^［21］	静电纺丝+等离子体处理+电喷涂	U=15 kV、D=15 cm、Q=0.8 mL/h静电纺制得AFA纤维，等离子体处理3 min和电喷涂30 min。	高孔隙率的三维多孔结构	1.43	86.5

纤维膜类型	纤维膜	制备方法	制备工艺及关键参数	纤维形貌	蒸发速率/ kg·m^-2·h^-1	光热转换效率/%
单层纤维膜	PDA@CNT/PU复合膜^［13］	静电纺丝+原位聚合	U=15 kV、Q=1.2 mL/h静电纺制得PU/CNT纤维后置于pH=8.5的PDA溶液超声水浴6 h。	分层纳米结构，微纳级孔互相粘连	1.44	90.1
	PAN@PPy复合膜^［14］	静电纺丝+原位聚合	U=22 kV、D=15 cm、Q=0.5 mL/h静电纺制得PPy纤维后，60 ℃干燥12 h使PAN聚合。	孔隙丰富、纤维表面粗糙	1.63	83.5
	PVA/GO复合膜^［15］	静电纺丝法+热处理	U=15 kV、D=15 cm、Q=0.7 mL/h静电纺制得PVA/GO纤维，180 ℃热处理30 min。	介孔丰富、密度低	1.42	94.2
Janus结构纤维膜	PPG@PU/PDMS@PU⁃CNTs复合膜^［16］	两步静电纺丝	U=12 kV、D=15 cm、Q=0.5 mL/h静电纺制备PPG@PU纤维膜，U=10 kV、D=15 cm、Q=1.8 mL/h静电纺制备PDMS@PU⁃CNTs。	三维微孔结构，纤维膜界面紧密连接	1.34	—
	PMMA/PAN/CB复合膜^［17］	静电纺丝+喷涂沉积	在以U=14 kV、D=15 cm、Q=1.6 mL/h静电纺制得的PAN纤维膜上纺PMMA纤维膜（U=15 kV、D=15 cm、Q=3 mL/h），CB悬浮液喷涂至膜表面。	高度开放的三维微孔纳米纤维结构	1.30	72.0
	CA/PAN/CNT复合膜^［18］	静电纺丝+沉积	在以U=25 kV、D=15 cm、Q=1.0 mL/h静电纺制得的CA纤维膜上纺PAN纤维膜（U=18 kV、D=10 cm、Q=3 mL/h），CNT喷涂沉积在PAN膜表面。	无序填充的无纺布结构，碳纳米管附着在纤维表面	1.94	92.7
	TPC/CB复合膜^［19］	静电纺丝+涂覆	U=14 kV、D=28 cm、Q=0.5 mL/h静电纺制得TPC纤维膜，通过真空过滤和干燥涂覆上CB。	多孔胞腔结构，CB附着在纤维表面	1.80	97.2
3D网孔纤维气凝胶	PI/CNT纤维气凝胶^［20］	静电纺丝+热亚胺化	U=15 kV静电纺制得PI纤维，液氮冷却10 min后-20 ℃冷冻12 h，100、200、300 ℃热处理1 h。	三维网络结构，CNT均匀附着在纤维表面	2.08	—
3D网孔纤维气凝胶	全纤维气凝胶（AFA）^［21］	静电纺丝+等离子体处理+电喷涂	U=15 kV、D=15 cm、Q=0.8 mL/h静电纺制得AFA纤维，等离子体处理3 min和电喷涂30 min。	高孔隙率的三维多孔结构	1.43	86.5

碳基纤维膜	纤维膜特性	光热吸收体结构	光源和功率	光源功率/ W·cm^-1	吸光波长/ nm	蒸发速率/kg·m^-2·h^-1	光热转换效率/%	静电纺纤维膜制备参数	应用
Janus PAN/CNT/CA复合膜^［18］	CNT/CA疏水，PAN亲水	搭桥式	太阳光	1	250~2 500	1.94	92.7	CA纤维膜：U=25 kV、D=15 cm、Q=1.0 mL/h；PAN纤维膜：U=18 kV、D=10 cm、Q=3 mL/h	海水淡化、光热发电、污水处理
Janus TPC/CB复合膜^［19］	CB疏水，TPC亲水	自漂浮	太阳光	1	200~2 500	1.80	97.2	TPC纤维膜：U=14 kV、D=28 cm、Q=0.5 mL/h	海水淡化
PAN/rGO复合膜^［29］	亲水	加PS泡沫	太阳光	1	350~2 500	1.46	89.4	PAN纤维膜：U=15 kV、Q=0.7 mL/h	海水淡化
PAN/CNT复合膜^［30］	亲水，柔性可清洗	加PS泡沫	太阳光	1	350~2 500	1.44	90.8	PAN纤维膜：U=12 kV、D=15 cm、Q=0.5 mL/h	海水淡化
PU/PDA@CNT复合膜^［13］	亲水疏油，拉伸性能好	加PS泡沫	—	—	—	1.44	90.1	PU纤维膜：U=15 kV、Q=1.2 mL/h	含油污水净化
PVA/GO复合膜^［15］	亲水	自漂浮	—	—	—	1.42	94.2	PVA纤维膜：U=15 kV、D=15 cm、Q=0.7 mL/h	海水淡化
PAN/SiO₂/MWCNTs⁃COOH复合膜^［31］	亲水，热稳定性好	加PS泡沫	太阳光	1	300~2 500	1.28	82.5	PAN纤维膜：U=10 kV、D=10 cm、Q=0.7 mL/h	海水淡化
PVDF/CB/PAN复合膜^［32］	CB/PAN亲水，PVDF疏水	自漂浮	太阳光	1	250~2 500	1.20	82.0	—	海水淡化、水净化处理
PAN@PPy复合膜^［14］	亲水	自漂浮	太阳光	1	250~2 500	1.63	83.5	PAN纤维膜：U=22 kV、D=15 cm、Q=0.5 mL/h	污水处理海水淡化
Janus PAN/CB/PMMA复合膜^［17］	CB/PMMA疏水，PAN亲水	自漂浮	太阳光	1	250~2 500	1.30	72.0	PAN纤维膜：U=15 kV、D=15 cm、Q=3 mL/h	海水淡化
PLA/中华墨^［33］	亲水	加PS泡沫	太阳光	1	190~1 100	1.29	81.0	PLA纤维膜：熔体电纺U=35 kV、D=7 cm、T=160 ℃	海水淡化
PIfAs/CNT气凝胶^［20］	亲水	加PS泡沫	太阳光	1	250~2 500	2.08	—	PI纤维膜：溶体电纺U=15 kV	海水淡化

碳基纤维膜	纤维膜特性	光热吸收体结构	光源和功率	光源功率/ W·cm^-1	吸光波长/ nm	蒸发速率/kg·m^-2·h^-1	光热转换效率/%	静电纺纤维膜制备参数	应用
Janus PAN/CNT/CA复合膜^［18］	CNT/CA疏水，PAN亲水	搭桥式	太阳光	1	250~2 500	1.94	92.7	CA纤维膜：U=25 kV、D=15 cm、Q=1.0 mL/h；PAN纤维膜：U=18 kV、D=10 cm、Q=3 mL/h	海水淡化、光热发电、污水处理
Janus TPC/CB复合膜^［19］	CB疏水，TPC亲水	自漂浮	太阳光	1	200~2 500	1.80	97.2	TPC纤维膜：U=14 kV、D=28 cm、Q=0.5 mL/h	海水淡化
PAN/rGO复合膜^［29］	亲水	加PS泡沫	太阳光	1	350~2 500	1.46	89.4	PAN纤维膜：U=15 kV、Q=0.7 mL/h	海水淡化
PAN/CNT复合膜^［30］	亲水，柔性可清洗	加PS泡沫	太阳光	1	350~2 500	1.44	90.8	PAN纤维膜：U=12 kV、D=15 cm、Q=0.5 mL/h	海水淡化
PU/PDA@CNT复合膜^［13］	亲水疏油，拉伸性能好	加PS泡沫	—	—	—	1.44	90.1	PU纤维膜：U=15 kV、Q=1.2 mL/h	含油污水净化
PVA/GO复合膜^［15］	亲水	自漂浮	—	—	—	1.42	94.2	PVA纤维膜：U=15 kV、D=15 cm、Q=0.7 mL/h	海水淡化
PAN/SiO₂/MWCNTs⁃COOH复合膜^［31］	亲水，热稳定性好	加PS泡沫	太阳光	1	300~2 500	1.28	82.5	PAN纤维膜：U=10 kV、D=10 cm、Q=0.7 mL/h	海水淡化
PVDF/CB/PAN复合膜^［32］	CB/PAN亲水，PVDF疏水	自漂浮	太阳光	1	250~2 500	1.20	82.0	—	海水淡化、水净化处理
PAN@PPy复合膜^［14］	亲水	自漂浮	太阳光	1	250~2 500	1.63	83.5	PAN纤维膜：U=22 kV、D=15 cm、Q=0.5 mL/h	污水处理海水淡化
Janus PAN/CB/PMMA复合膜^［17］	CB/PMMA疏水，PAN亲水	自漂浮	太阳光	1	250~2 500	1.30	72.0	PAN纤维膜：U=15 kV、D=15 cm、Q=3 mL/h	海水淡化
PLA/中华墨^［33］	亲水	加PS泡沫	太阳光	1	190~1 100	1.29	81.0	PLA纤维膜：熔体电纺U=35 kV、D=7 cm、T=160 ℃	海水淡化
PIfAs/CNT气凝胶^［20］	亲水	加PS泡沫	太阳光	1	250~2 500	2.08	—	PI纤维膜：溶体电纺U=15 kV	海水淡化

纤维膜	纤维膜特性	光热吸收体结构	光源	光源功率/W·cm^-1	吸光波长/nm	蒸发速率/ kg·m^-2·h^-1	光热转换效率/（%）	静电纺纤维膜制备参数	应用
PVDF/Ag复合膜^［35］	疏水	自漂浮	紫外光	50	400	2.50	53	PVDF纤维膜：U=25 kV、D=15 cm、Q=0.3 mL/h	水净化、海水淡化
PU/Al复合膜^［38］	无	自漂浮	太阳光	1	250~2 500	1.72	89	PU纤维膜：U=20 kV、D=10 cm、Q=0.1 mL/h	海水淡化
PNIPAM/Fe₃O₄复合膜^［39］	亲水	加PS 泡沫	太阳光	1	250~2 500	1.76	—	—	超咸水淡化
PVP/Ag/Cu₂O复合膜^［37］	无	加PS 泡沫	太阳光	1	250~2 000	1.35	—	PVP纤维膜：U= 15 kV、D=15 cm	水净化、海水淡化
PS/Au复合膜^［36］	亲水	加非织造布	太阳光	1	400~1 000	1.85	99	PS纤维膜：U=17 kV、D=15 cm、Q=1 mL/h	海水淡化、污水处理

静电纺光热转换纤维制备及其在太阳能驱动界面蒸发的应用

Preparation of electrospun photothermal conversion nanofibers and their application in solar⁃driven interface evaporation

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纤维膜	纤维膜特性	光热吸收体结构	光源	光源功率/ W·cm^-1	吸光波长	蒸发速率/ kg·m^-2·h^-1	光热转换效率/%	静电纺纤维膜制备参数	应用
rTAC/Rb _x WO₃复合膜^［40］	疏水	自漂浮	近红外光	0.217	380~2 200	3.13	90.4	rTAC纤维膜：U=15 kV、 D=15 cm、Q=0.5 mL/h	海水淡化
PLA/WO_2.72复合膜^［41］	疏水	自漂浮	红外光	0.294	780~2 500	3.81	81.4	PLA纤维膜：电场强度 4 kV/cm、T=260°C	海水淡化、水蒸发
PAN@CuS复合膜^［43］	亲水	PS泡沫	太阳光	1	200~2 500	2.27	83.9	PAN纤维膜：U=22 kV、 D=15 cm、Q=1 mL/h	海水淡化、废水净化
PAN/Co₃S₄复合膜^［44］	亲水	自漂浮	太阳光	1	250~2 500	1.26	86.5	PAN纤维膜：U=22 kV	海水淡化

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