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西安工程大學(xué)支超團(tuán)隊(duì) Small：受蓮蓬啟發(fā)的具有出色耐鹽性和機(jī)械性能的高效界面太陽能蒸汽發(fā)生器
2023-08-29  來源：高分子科技

  通過使用界面太陽能蒸汽發(fā)生器（ISSG），利用太陽能對(duì)海水進(jìn)行淡化以獲得清潔水是緩解全球清潔水短缺的有效方法。目前，研究者們已經(jīng)開發(fā)了多種光熱轉(zhuǎn)換材料（包括生物質(zhì)材料，碳基材料，金屬納米顆粒，無機(jī)半導(dǎo)體和有機(jī)高分子材料等）用于制備ISSG，并通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)一步提升其海水淡化性能。


  然而，ISSG的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍面臨一些共同的挑戰(zhàn)：首先，ISSG的表面通常是平面，導(dǎo)致較低的光吸收率；其次，大多數(shù)ISSG缺乏定向輸水功能，導(dǎo)致向ISSG的氣液界面供水量不足，影響ISSG的持續(xù)蒸發(fā)能力；最后，ISSG還面臨著蒸發(fā)過程中鹽的結(jié)晶和積累阻礙水分輸送、機(jī)械強(qiáng)度弱及結(jié)構(gòu)易坍塌等挑戰(zhàn)，現(xiàn)階段被廣泛研究的ISSG難以同時(shí)應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)。因此，需要進(jìn)一步開發(fā)集優(yōu)異的光吸收、快速的水輸送、良好的機(jī)械性能和耐鹽性于一體的高性能ISSG。



  西安工程大學(xué)支超團(tuán)隊(duì)受蓮蓬的天然結(jié)構(gòu)啟發(fā)，結(jié)合專業(yè)優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)并織造出具有底層小孔和上層大孔并由間隔絲層相互連接的特殊結(jié)構(gòu)的經(jīng)編間隔織物，隨后將等離子體處理的經(jīng)編間隔織物（PSF）與海藻酸鈉（SA）和還原氧化石墨烯（rGO）結(jié)合，制備出一種新型的具有蓮蓬仿生結(jié)構(gòu)的ISSG（rGO-SA-PSF），如圖1所示。rGO-SA-PSF在1 kW m-2光照強(qiáng)度下具有優(yōu)異的海水淡化性能，同時(shí)兼具優(yōu)秀的機(jī)械性能及耐鹽性，在太陽能驅(qū)動(dòng)的水蒸發(fā)、海水淡化和廢水處理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。


  在本項(xiàng)研究中，rGO-SA-PSF通過PSF獨(dú)特的底層小孔產(chǎn)生的蓮蓬根狀芯吸作用實(shí)現(xiàn)快速泵水，并通過親水性氣凝膠包覆經(jīng)等離子體處理的間隔絲所構(gòu)建出的多條定向輸水通道實(shí)現(xiàn)高效輸水。此外，由PSF獨(dú)特的上層大孔形成的類蓮蓬頭的凹陷孔洞可以有效地吸收太陽光。 


圖1 rGO-SA-PSF的仿生制備


  rGO-SA-PSF的物理特性和化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖2所示，經(jīng)等離子體處理后，間隔絲幾乎完全被氣凝膠包覆，這確保了蓮蓬莖狀輸水通道的成功構(gòu)建，且低水接觸角有利于水沿著輸水通道快速輸送到rGO-SA-PSF表面；同時(shí)，rGO-SA-PSF表面許多規(guī)則排列的凹陷孔洞確保了蓮蓬頭狀表面結(jié)構(gòu)的成功構(gòu)建，且氣凝膠的親水性和PSF的表面粗糙度及多孔結(jié)構(gòu)保證了rGO-SA-PSF的超親水性。 


圖2 rGO-SA-PSF的物理特性和化學(xué)結(jié)構(gòu)


  rGO-SA-PSF獨(dú)特的凹孔表面結(jié)構(gòu)和大量定向輸水通道有利于對(duì)光的吸收和水分向其表面的快速輸送（圖3），這使得rGO-SA-PSF的光吸收率高達(dá)95.6%，在4秒內(nèi)達(dá)到36.5 g g-1的飽和吸水性。此外，得益于PSF的引入，rGO-SA-PSF的壓縮模量為90.8 kPa，同時(shí)還表現(xiàn)出良好的柔韌性和彈性恢復(fù)能力。 


圖3 rGO-SA-PSF的光熱、水管理和機(jī)械性能


  rGO-SA-PSF的太陽能驅(qū)動(dòng)水蒸發(fā)和海水淡化性能如圖4所示，在1 kW m-2的光照強(qiáng)度下，rGO-SA-PSF的蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率分別為1.85 kg m-2 h-1和96.4%。同時(shí)，rGO-SA-PSF對(duì)不同光照強(qiáng)度表現(xiàn)出優(yōu)異的蒸發(fā)穩(wěn)定性和適應(yīng)性。與以往文獻(xiàn)報(bào)道的大多數(shù)基于rGO的ISSG相比，rGO-SA-PSF具有性能優(yōu)勢(shì)。此外，rGO-SA-PSF在模擬海水溶液（3.5wt % NaCl溶液）和人工海水中也能保持良好的蒸發(fā)性能。與rGO-SA相比，rGO-SA-PSF在光吸收性能、輸水性能、機(jī)械性能、蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率等方面都得到了全面改善。 


圖4 rGO-SA-PSF的太陽能驅(qū)動(dòng)水蒸發(fā)和海水淡化性能


  在耐鹽和自脫鹽實(shí)驗(yàn)中（圖5），rGO-SA-PSF的蒸發(fā)速率和效率在模擬死海水溶液（10 wt% NaCl溶液）中連續(xù)脫鹽10 h后仍保持較高水平（1.77 kg m-2 h-1和92.4%），在以3.5 wt% NaCl溶液為水源的10次自脫鹽循環(huán)過程中也具有穩(wěn)定的蒸發(fā)效率，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐鹽性和自脫鹽性。在戶外實(shí)驗(yàn)中，本文搭建了一個(gè)簡(jiǎn)易的太陽能驅(qū)動(dòng)淡水收集裝置，該裝置在一天內(nèi)（9：00-17：00）可收集高達(dá)8.35 kg m-2的清潔水，且在不同天氣條件下都表現(xiàn)出較高的集水量，收集的水能夠達(dá)到飲用標(biāo)準(zhǔn)。 


圖5 rGO-SA-PSF的耐鹽性、自脫鹽性及在戶外實(shí)驗(yàn)下的海水淡化性能


  在本研究中，rGO-SA-PSF對(duì)模擬工業(yè)廢水和紡織染料廢水也表現(xiàn)出良好的凈化效果，在酸性或堿性條件下還具有平衡pH的潛力（圖6）。 


圖6 rGO-SA-PSF的太陽能驅(qū)動(dòng)廢水凈化性能


  綜上，本研究提出的具有蓮蓬仿生結(jié)構(gòu)的ISSG為實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的海水淡化和廢水凈化提供了一種創(chuàng)新解決方案；谄湓诠鉄、輸水和力學(xué)等方面優(yōu)異的綜合性能，具有該種仿生結(jié)構(gòu)的ISSG在太陽能驅(qū)動(dòng)的水蒸發(fā)、海水淡化以及廢水處理等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。


  相關(guān)研究以A Lotus Seedpods-Inspired Interfacial Solar Steam Generator with Outstanding Salt Tolerance and Mechanical Properties for Efficient and Stable Seawater Desalination為題發(fā)表在重要期刊Small上（DOI：10.1002/smll.202304877）。論文第一作者為西安工程大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生馬浩東，共同第一作者為西安工程大學(xué)余靈婕副教授，通訊作者為西安工程大學(xué)支超副教授。西安工程大學(xué)孟家光教授、宋慶文高工、劉亞明博士、王永臻副教授、吳倩博士、碩士研究生李珍珍、陳江龍以及澳大利亞墨爾本大學(xué)苗孟河研究員參與了相關(guān)研究工作。感謝國家自然科學(xué)基金、陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、陜西省創(chuàng)新能力支撐計(jì)劃、陜西高校青年杰出人才支持計(jì)劃項(xiàng)目等對(duì)本工作的大力支持。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202304877

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（責(zé)任編輯：xu）
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