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

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.05.022

Abstract

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

CLC Number:

TQ320.72⁺1

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.

Figures/Tables 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