吉林大學(xué)李洋課題組：可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，高效，長(zhǎng)壽光熱水蒸發(fā)性能的自修復(fù)親水多孔光熱膜

2021-10-20 來(lái)源：高分子科技

關(guān)鍵詞：自修復(fù) 親水聚氨酯多孔膜蒸發(fā)器太陽(yáng)能蒸發(fā)器海水淡化

僅僅占有地球水資源總量3%的淡水是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的必要條件之一，然而隨著人口的進(jìn)一步增長(zhǎng)和環(huán)境的加速惡化，淡水資源短缺已經(jīng)成為全球面臨的亟待解決的重要難題。為了應(yīng)對(duì)這一難題，開(kāi)發(fā)有效的海水淡化和污水凈化技術(shù)是非常有必要的。太陽(yáng)能具有環(huán)境友好以及可再生的特點(diǎn)，太陽(yáng)能的收集和利用符合國(guó)家提倡的綠色可持續(xù)發(fā)展理念，對(duì)于實(shí)現(xiàn)“2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”目標(biāo)具有重要意義。因此，太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的水蒸發(fā)技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注和研究，尤其是太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的界面水蒸發(fā)技術(shù)，由于其可以將光熱能集中在水-空氣界面而最大限度的減少能量損失，并將大部分能量用于液-氣相轉(zhuǎn)移，有效提高光熱水蒸發(fā)效率。一般來(lái)說(shuō)，典型的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的界面蒸發(fā)器有三部分組成（圖1a）：(1)寬波長(zhǎng)范圍吸收和高光熱轉(zhuǎn)換能力的光熱層,(2)低熱導(dǎo)系數(shù)的漂浮支撐層,(3)持續(xù)有效供水的水傳輸通道。盡管目前已經(jīng)有很多高效的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面水蒸發(fā)器被成功開(kāi)發(fā)出來(lái)，然而在實(shí)際使用過(guò)程中隨著光熱層和水傳輸通道的損壞，光熱水蒸發(fā)器件的水蒸發(fā)效率會(huì)急劇惡化。因此，開(kāi)發(fā)一種穩(wěn)定高效，并且在損傷后可以恢復(fù)其高效水蒸發(fā)性能的界面水蒸發(fā)器件是非常有必要的。

自修復(fù)功能與界面水蒸發(fā)器件的結(jié)合，可以有效提高其穩(wěn)定性并延長(zhǎng)其使用壽命。盡管該課題組和其他少許研究者已經(jīng)報(bào)道了自修復(fù)光熱界面水蒸發(fā)器件，然而目前報(bào)道的自修復(fù)光熱水蒸發(fā)器件僅僅可以修復(fù)化學(xué)損傷，并且光熱水蒸發(fā)速率小于1.31 kg m^-2 h^-1。以前，該工作組利用自修復(fù)疏水聚合物，碳納米管以及作為模板的氯化鈉通過(guò)共混的方式成功的制備了具有光熱轉(zhuǎn)換能力的自修復(fù)超疏水多孔材料(ACS Appl. Mater. Interfaces. 2019, 11, 40)。基于他們?cè)谧孕迯?fù)多孔材料制備方面的寶貴經(jīng)驗(yàn)以及關(guān)于自修復(fù)親水聚合物合成知識(shí)的廣泛積累，可以通過(guò)分子的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及材料組成的理性選擇來(lái)制備用于太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)高效界面水蒸發(fā)的自修復(fù)親水多孔光熱膜（SHPP）。

圖1. (a) (1)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)器的組成;(2)由于水傳輸通道損壞而喪失其水蒸發(fā)能力。(b) (1) SHPP膜太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)器的組成和(2)物理?yè)p傷后通過(guò)自修復(fù)恢復(fù)光熱水分蒸發(fā)能力的示意圖。

基于上述研究背景，吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院超分子結(jié)構(gòu)與材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李洋副教授課題組利用聚乙二醇(PEG)，聚四氫呋喃二醇(PTMG)和二環(huán)基甲烷二異氰酸酯(DMDI)之間的逐步縮聚反應(yīng)設(shè)計(jì)合成了一系列自修復(fù)親水聚氨酯（圖2a），隨后將自修復(fù)親水聚合物與炭黑，氯化鈉鹽模板共混，并利用純凈水水洗去除鹽模板，第一次成功的制備了用于高效太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面水蒸發(fā)的PU_x/CB_m/NaCl_n自修復(fù)親水多孔光熱膜（圖2b）。作者通過(guò)調(diào)節(jié)自修復(fù)親水聚氨酯的親水性以及混和物之間的質(zhì)量比，從而控制自修復(fù)親水多孔光熱膜的含水量和水通量，達(dá)到改善其光熱水蒸發(fā)性能的目的。研究結(jié)果顯示，當(dāng)x，m，和n分別為20，0.5和5時(shí)，PU_x/CB_m/NaCl_n自修復(fù)親水多孔光熱膜在一個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下具有最高的光熱水蒸發(fā)速率(1.68 kg m^-2 h^-1)和蒸發(fā)效率（97.3%）（圖2c）。作者通過(guò)將PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅ 自修復(fù)親水多孔光熱膜固定到多孔聚乙烯泡沫(PE)表面，即可得到高效的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的界面水蒸發(fā)器件（圖1b）。研究結(jié)果顯示，PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅ 多孔膜蒸發(fā)器對(duì)湖水和模擬海水的蒸發(fā)速率分別為1.67 kg m^-2 h^-1和1.61 kg m^-2 h^-1（圖2d）；與之相應(yīng)的太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換效率分別為96.7%和94.2%。

圖2. (a) PU_x的合成路線。（b）PU_x/CB_m/NaCl_n膜的制備過(guò)程。（c）是否利用PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅膜對(duì)去離子水進(jìn)行光熱水蒸發(fā)時(shí)水的質(zhì)量隨模擬光照時(shí)間的變化。（d）利用PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅膜對(duì)湖水和模擬海水進(jìn)行光熱水蒸發(fā)時(shí)水的質(zhì)量隨模擬光照時(shí)間的變化。

為了評(píng)估PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅ 多孔膜蒸發(fā)器的實(shí)用性，作者研究了PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅多孔膜蒸發(fā)器在自然光照下的光熱水蒸發(fā)能力。結(jié)果如圖3a所示，PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅多孔膜蒸發(fā)器在自然光照下(12∶50-13∶10)對(duì)湖水和模擬海水的蒸發(fā)速率分別為1.8 kg m^-2 h^-1和1.69 kg m^-2 h^-1。毫無(wú)疑問(wèn)，這些研究結(jié)果證明PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅多孔膜蒸發(fā)器在太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面水蒸發(fā)生產(chǎn)新鮮淡水方面具有非常高的潛在應(yīng)用。因此，作者將一個(gè)金字塔形的聚甲基丙烯酸蓋子，裝有200 mL水的直徑為140 mm的培養(yǎng)皿以及由11 cm *11 cm PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅多孔膜和直徑為135 mm的PE泡沫組成的蒸發(fā)器組裝成一個(gè)太陽(yáng)能蒸餾裝置（圖3b）。利用PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅多孔膜太陽(yáng)能蒸餾裝置在自然光照下光照1 h，分別可以從湖水和模擬海水中收集6.5 g和6.3 g的純凈水。然而，在沒(méi)有PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅多孔膜的情況下，僅僅可以從湖水和模擬海水中收集0.16 g和0.15 g的純凈水。更重要的是，相比于光熱蒸發(fā)純化前的湖水和模擬海水，光熱蒸發(fā)純化之后純凈水中的鈉，鉀，鈣和鎂離子的濃度成倍的減少。值得注意的是，純化后的鹽離子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于世界衛(wèi)生組織飲用水的標(biāo)準(zhǔn)（圖3c）。這些結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅多孔膜蒸發(fā)器在太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面水蒸發(fā)生產(chǎn)新鮮淡水方面具有非常高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖3. (a) 太陽(yáng)強(qiáng)度、環(huán)境溫度、模擬海水和湖水質(zhì)量以及PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅膜蒸發(fā)器表面溫度隨自然光照的變化（吉林大學(xué)；2021年7月23日；12:30-13:30）。（b）PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅膜蒸餾裝置圖。（c）利用PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅膜進(jìn)行光熱水蒸發(fā)純化前后模擬海水和湖水中鈉，鉀，鎂和鈣離子的濃度。

為了驗(yàn)證PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅多孔膜蒸發(fā)器修復(fù)其結(jié)構(gòu)損傷并保持其高效光熱水蒸發(fā)性能的能力，作者利用單面刀片將光熱蒸發(fā)器兩端的PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅多孔膜切斷（圖4a-1）。由于水不能連續(xù)有效的輸送到蒸發(fā)器的表面，隨著光照時(shí)間的延長(zhǎng)，蒸發(fā)速率逐漸下降（圖4b紅線）。這些結(jié)果說(shuō)明完整的結(jié)構(gòu)對(duì)于PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅多孔膜蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)連續(xù)有效的光熱水蒸發(fā)是非常重要的。隨后，作者將切斷的幾部分PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅多孔膜的切口輕輕地壓在一起，并在室溫下放置72 h，損傷的PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅多孔膜即可完全修復(fù)（圖4a-2）。重要的是，修復(fù)后的PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅多孔膜對(duì)模擬海水的蒸發(fā)速率能夠恢復(fù)到1.60 kg m^-2 h^-1，相似于新制備的PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅多孔膜的蒸發(fā)速率（圖4b藍(lán)線）。這一結(jié)果說(shuō)明PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅多孔膜的修復(fù)性能使其受損的水蒸發(fā)性能夠完全恢復(fù)到初始狀態(tài)。作者認(rèn)為是PU₂₀聚合物賦予了PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅多孔膜優(yōu)異的修復(fù)性能，當(dāng)PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅多孔膜損傷的表面相互接觸后，PU₂₀聚合物分子鏈中氫鍵的重新形成，使其實(shí)現(xiàn)切痕損傷修復(fù)（圖4c）。由于氫鍵的可逆性，PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅多孔膜可以在同一位置實(shí)現(xiàn)多次的切痕損傷修復(fù)，即使是在第五次切痕損傷修復(fù)之后，修復(fù)效率下降到95%，蒸發(fā)速率依然保持在1.60 kg m^-2 h^-1（圖4d）。這些結(jié)果說(shuō)明PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅多孔膜具有穩(wěn)定的自修復(fù)性能，以及自修復(fù)性能賦予PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅多孔膜蒸發(fā)器具有長(zhǎng)壽，可靠的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的界面水蒸發(fā)性能。

圖4. (a) PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅膜蒸發(fā)器(1)經(jīng)切斷和(2)室溫修復(fù)72 h的照片。（b）利用原始，切斷和修復(fù)后的PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅膜蒸發(fā)器進(jìn)行光熱水蒸發(fā)時(shí)模擬海水質(zhì)量隨光照時(shí)間的變化。（c）PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅膜修復(fù)原理示意圖。（d）PU₂₀/CB_0.5/NaCl₅膜在多次切痕修復(fù)后的光熱水蒸發(fā)速率和修復(fù)效率。

相關(guān)研究成果以“Self-Healing Hydrophilic Porous Photothermal Membranes for Durable and Highly Efficient Solar-Driven Interfacial Water Evaporation”為標(biāo)題發(fā)表在CCS Chemistry (2021，DOI: 10.31635/ccschem.021.202101111)。吉林大學(xué)超分子結(jié)構(gòu)與材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一單位，吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院許富昌博士為論文的第一作者，李洋副教授為論文的獨(dú)立通訊作者。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和吉林省科技廳的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.31635/ccschem.021.202101111

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（責(zé)任編輯：xu）

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