中國海洋大學(xué)徐曉峰教授課題組 ACS AMI：可控制備海洋生物質(zhì)復(fù)合材料氣凝膠微球-實現(xiàn)界面光熱、離子吸附和土壤改良多功能應(yīng)用
近年來，基于“可再生能源”的高效、安全可靠、低碳環(huán)保和可持續(xù)的水凈化新技術(shù)對解決日益嚴(yán)重的飲用水危機具有重要的意義，得到了科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的極大關(guān)注和重視。太陽能因具有分布廣泛、可持續(xù)和無污染等優(yōu)點是真正意義上的綠色能源。將太陽能轉(zhuǎn)換技術(shù)（光伏和光熱技術(shù)）與水凈化技術(shù)結(jié)合是解決飲用水資源短缺很有前景的方法，在太陽輻照豐富、能源短缺、經(jīng)濟欠發(fā)達(dá)的地區(qū)很有應(yīng)用潛力，已成為水凈化領(lǐng)域的研究熱點之一。太陽能界面光熱轉(zhuǎn)換與水蒸發(fā)已成為一種新型、可持續(xù)和無污染的清潔水生產(chǎn)技術(shù)。目前，針對一體式三維界面蒸發(fā)器的快速、大量和形狀可控制備與多功能集成應(yīng)用仍存在諸多挑戰(zhàn)。
圖1 本研究開發(fā)的基于海洋生物質(zhì)復(fù)合材料的氣凝膠微球的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和功能簡介
近期，中國海洋大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院徐曉峰教授課題組基于天然高分子復(fù)合材料“可控”制備了一種氣凝膠光熱微球，該微球由改性的纖維素、質(zhì)子化的殼聚糖、納米碳粉共混組成（圖1）。基于復(fù)合海洋多糖開發(fā)的光熱氣凝膠微球首次實現(xiàn)了太陽能界面水蒸發(fā)、水體中富營養(yǎng)鹽吸附和營養(yǎng)元素緩釋等方面的應(yīng)用。具體的優(yōu)點可以總結(jié)為：（1）可連續(xù)制備形狀可控的凝膠球：季銨鹽改性的微晶纖維素與質(zhì)子化殼聚糖結(jié)合形成具有pH響應(yīng)的復(fù)合凝膠，能夠在堿性條件下實現(xiàn)快速凝膠化；（2）高效的太陽能界面水蒸發(fā)：復(fù)合氣凝膠微球與3D打印聚乳酸框架形成的可漂浮三維界面蒸發(fā)器能夠協(xié)同管理浮力、水的擴散、熱分布和熱損失，在1個太陽下，水的蒸發(fā)速率達(dá)1.62 kg m-2 h-1；（3）高效吸附水體中的磷元素：引入改性形成的陽離子纖維素使復(fù)合微球在較寬的pH值（2.5–12.4）和較大范圍磷酸鹽離子濃度（200–1000 mg/L）內(nèi)能獲得超過120 mg g-1的陰離子吸附量；（4）生物降解、營養(yǎng)物向土壤的緩釋和種植測試：含磷復(fù)合微球可通過土壤中的微生物逐步降解，主要養(yǎng)分（N、P和K）可在50天內(nèi)均勻緩慢釋放到生長培養(yǎng)基中，提供植物生長所需的基本營養(yǎng)成分。該研究成果包括了協(xié)同水凈化、廢物處理和增值轉(zhuǎn)化的三重功能，實現(xiàn)了“蒸發(fā)-吸附-種植”一體化，為太陽能界面蒸發(fā)的光熱氣凝膠微球的制備和應(yīng)用提供了新的前景。該工作以“Photothermal Aerogel Beads Based on Polysaccharides: Controlled Fabrication and Hybrid Applications in Solar-Powered Interfacial Evaporation, Water Remediation and Soil Enrichment”為題發(fā)表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。
圖2 蒸發(fā)體的蒸發(fā)性能測試
復(fù)合氣凝膠微球與3D打印聚乳酸框架形成的可漂浮三維界面蒸發(fā)器（SG2）能夠在1個太陽光下的蒸發(fā)速率為1.62 kg m-2 h-1，顯著高于純水和直接接觸水面的氣凝膠球（SG1）的水體蒸發(fā)速率（0.76 kg m-2 h-1），并且能夠進(jìn)行長期穩(wěn)定的蒸發(fā)。此外，在各種環(huán)境（不同pH和鹽度）中該蒸發(fā)器件也能實現(xiàn)高效穩(wěn)定蒸發(fā)。
圖3 復(fù)合氣凝膠微球的吸附性能測試
復(fù)合氣凝膠微球能夠?qū)δM的富營養(yǎng)化水體中的磷酸鹽進(jìn)行有效吸附。由于改性纖維素的引入，使該微球擁有更多的化學(xué)和物理吸附位點，能夠在各種實際環(huán)境（較寬pH范圍以及各種溫度）下保持高效穩(wěn)定的磷元素吸附，改善了以往報道的工作中只能在酸性和中性條件下高效磷元素吸附的缺陷。此外，吸附動力學(xué)和等溫線曲線更擬合于準(zhǔn)一階動力學(xué)模型和Langmuir方程，說明該吸附過程以化學(xué)吸附為主。
圖4 吸附后氣凝膠微球的降解與種植測試
在潮濕的土壤中，飽和吸附后的復(fù)合氣凝膠微球可以在7天內(nèi)發(fā)生明顯的降解，在50天內(nèi)緩釋N，P和K元素。種植結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用吸附磷酸鹽后的氣凝膠微球作為緩釋肥料種植的三葉草的長勢最好，明顯優(yōu)于空白實驗和水溶性肥料的種植效果，說明營養(yǎng)物緩釋對于植物生長的促進(jìn)作用。
在過去的兩年中，課題組圍繞界面光熱轉(zhuǎn)換材料和器件開展了一系列研究：通過可控發(fā)泡技術(shù)制備低成本和大面積復(fù)合泡沫材料用于太陽能界面蒸發(fā)和清潔水的生產(chǎn)（Chemical Engineering Journal 2022, 431, 134144; Solar RRL 2022, 8, 2200241; Journal of Materials Chemistry A 2021, 9, 9692.）；制備具有自修復(fù)和耐損傷的水凝膠用于高效太陽能水凈化和海水淡化（Advanced Functional Materials 2021, 31, 2104464），設(shè)計全纖維素一體式太陽能界面蒸發(fā)器用于海水淡化和自供電波浪檢測（Advanced Functional Materials 2021, 31, 2008681）；“不倒翁”抗傾覆太陽能界面蒸發(fā)器設(shè)計（Journal of Materials Chemistry A 2020, 8, 24664; Advanced Sustainable Systems, 2022, 6, 2200256）；利用海洋生物質(zhì)復(fù)合材料實現(xiàn)高效持久的太陽能驅(qū)動界面蒸發(fā)、海水淡化和大氣水收集（Chemical Engineering Journal, 2021, 417, 128051; Journal of Materials Chemistry A, 2022, 10, 18170; Journal of Materials Chemistry A, 2022, 10, 8556）；基于界面光熱轉(zhuǎn)換的水電聯(lián)產(chǎn)器件設(shè)計（Journal of Materials Chemistry A 2022, 9, 21197）。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c16634
