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中科院上海硅酸鹽所朱英杰團(tuán)隊 Small: 具有低水蒸發(fā)焓的有序垂直孔道結(jié)構(gòu)仿生氣凝膠用于高效太陽能海水淡化和污水凈化
2023-02-19  來源：高分子科技

  隨著全球范圍水污染問題日益嚴(yán)重，清潔淡水短缺已經(jīng)發(fā)展成為全球性的危機(jī)。太陽能是一種清潔的可持續(xù)能源，對太陽能的高效利用是一個熱點研究領(lǐng)域，也是發(fā)展清潔可持續(xù)能源的一個很有前途的發(fā)展方向。目前研究的一個熱點是利用光熱轉(zhuǎn)換材料構(gòu)建太陽能水蒸發(fā)器，以便實現(xiàn)高效太陽能海水淡化和污水凈化。但是，存在的難題是水蒸發(fā)過程中熱量損耗嚴(yán)重、水蒸發(fā)效率低以及鹽沉積堵塞水輸運通道等，這些問題大大降低了太陽能的利用效率和水蒸發(fā)效率。目前，研發(fā)具有高水蒸發(fā)效率和耐鹽沉積的高性能太陽能水蒸發(fā)器仍然面臨挑戰(zhàn)。因此，研發(fā)可持續(xù)的綠色高效海水淡化及污水凈化方法是一個重要的研究課題。


  氣凝膠是一種具有優(yōu)異性能的功能材料，具有超輕、超高孔隙率和多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。然而，大多數(shù)氣凝膠具有不規(guī)則無序的多孔結(jié)構(gòu)，不利于快速水輸運。具有有序排列垂直孔道結(jié)構(gòu)的仿生氣凝膠，具有吸附性能好、流動阻力小、水輸運暢通快速等優(yōu)勢。因此，有序排列垂直孔道結(jié)構(gòu)仿生氣凝膠在構(gòu)建高性能太陽能水蒸發(fā)器方面具有良好的應(yīng)用前景。


  最近，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所朱英杰研究員團(tuán)隊受到天然蓮花莖的長程有序孔道結(jié)構(gòu)和水輸運功能的啟發(fā)，通過冰模板誘導(dǎo)自組裝方法，研制出基于羥基磷灰石超長納米線的有序排列垂直孔道結(jié)構(gòu)和低水蒸發(fā)焓的仿生氣凝膠，用于高效抗鹽沉積太陽能海水淡化和污水凈化。在本研究中，有序排列垂直孔道結(jié)構(gòu)仿生氣凝膠由羥基磷灰石超長納米線作為隔熱有序多孔骨架、聚多巴胺修飾的二維過渡金屬碳化物作為光熱材料、聚丙烯酰胺和聚乙烯醇有機(jī)聚合物作為降低水蒸發(fā)焓的組分和增強(qiáng)力學(xué)性能的粘合劑組成。有序排列垂直孔道結(jié)構(gòu)仿生氣凝膠的有序蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)、單向有序排列的微孔道和納米線/納米片/聚合物孔壁使其具有優(yōu)異的力學(xué)性能、快速水輸運和高效水蒸發(fā)性能。結(jié)合其優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能、熱量局域、有序排列垂直孔道結(jié)構(gòu)和低水蒸發(fā)焓，所設(shè)計制備的基于有序排列垂直孔道結(jié)構(gòu)仿生氣凝膠的太陽能水蒸發(fā)器在太陽光照射條件下表現(xiàn)出高的水蒸發(fā)效率、優(yōu)異的太陽能海水淡化和污水凈化性能，還現(xiàn)出優(yōu)異的抗鹽沉積性能，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定和持續(xù)的海水淡化，可多次循環(huán)使用和長時間使用。另外，還對真實海水樣品進(jìn)行了太陽能海水淡化測試，海水淡化后收集得到的純凈水中主要離子的濃度顯著降低，可滿足世界衛(wèi)生組織的飲用水標(biāo)準(zhǔn)。本研究工作表明所研制的有序排列垂直孔道結(jié)構(gòu)仿生氣凝膠在海水淡化、污水處理和環(huán)境保護(hù)等多個領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。該工作以“Bioinspired Aerogel with Vertically Ordered Channels and Low Water Evaporation Enthalpy for High-Efficiency Salt-Rejecting Solar Seawater Desalination and Wastewater Purification”為題發(fā)表在國際權(quán)威期刊Small上。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金和上海市科委等項目的資助。 


圖1. 有序排列垂直孔道結(jié)構(gòu)仿生氣凝膠和對照樣品的光吸收、光熱轉(zhuǎn)換和太陽能水蒸發(fā)性能。（a）紫外-可見-近紅外吸收光譜；（b）在水蒸發(fā)過程中，氣凝膠在陽光照射下的平均表面溫度和紅外圖像；（c）水的質(zhì)量隨太陽光照射時間的變化；（d）不同氣凝膠樣品的水蒸發(fā)速率和能量效率；（e）有序排列垂直孔道結(jié)構(gòu)仿生氣凝膠在太陽光照射下10個循環(huán)期間的水蒸發(fā)速率；（f）有序排列垂直孔道結(jié)構(gòu)仿生氣凝膠的水蒸發(fā)速率與文獻(xiàn)報道的一些結(jié)果的比較。 


圖2. 有序排列垂直孔道結(jié)構(gòu)仿生氣凝膠的太陽能海水淡化和污水凈化性能。（a） 抗鹽沉積機(jī)理示意圖；（b）有序排列垂直孔道結(jié)構(gòu)仿生氣凝膠在3.5 wt.% 氯化鈉水溶液中10小時內(nèi)的水蒸發(fā)速率；（c）有序排列垂直孔道結(jié)構(gòu)仿生氣凝膠在不同濃度的氯化鈉水溶液中的水蒸發(fā)速率；（d）海水樣品和太陽能海水淡化后收集的冷凝水中五種主要離子的濃度以及離子去除百分比；（e）含有亞甲基藍(lán)和剛果紅的水溶液以及太陽能污水凈化后收集的冷凝水的紫外-可見吸收光譜；（f）太陽能污水凈化后的水溶液和收集的冷凝水中4種重金屬離子的濃度以及離子去除百分比。


  相關(guān)論文：Zhong-Yi Wang, Ying-Jie Zhu*, Yu-Qiao Chen, Han-Ping Yu, and Zhi-Chao Xiong*. Bioinspired Aerogel with Vertically Ordered Channels and Low Water Evaporation Enthalpy for High-Efficiency Salt-Rejecting Solar Seawater Desalination and Wastewater Purification. Small, (2023). DOI: https://doi.org/10.1002/smll.202206917

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202206917

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