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北航衡利蘋(píng)研究員課題組 Adv. Funct. Mater.：仿生可持續(xù)高效太陽(yáng)能蒸發(fā)器件實(shí)現(xiàn)污水處理
2023-09-07  來(lái)源：高分子科技

  在雙碳背景下，作為一種環(huán)境友好、價(jià)格低廉的緩解水危機(jī)的方法，太陽(yáng)能蒸發(fā)器件引起了廣泛的關(guān)注和研究。然而，目前報(bào)道的高效太陽(yáng)能蒸發(fā)器件主要是基于石油化工材料制備的，采用可再生材料構(gòu)筑的太陽(yáng)能蒸發(fā)器件往往具有較低的蒸發(fā)性能。因此，采用可持續(xù)的再生材料開(kāi)發(fā)高效太陽(yáng)能蒸發(fā)器件十分關(guān)鍵。


  近日，北京航空航天大學(xué)衡利蘋(píng)研究員、江雷院士團(tuán)隊(duì)通過(guò)模仿玉米芯髓芯層的結(jié)構(gòu)和功能基團(tuán)，直接交聯(lián)可再生的羥丙基纖維素制備了多孔纖維素水凝膠。通過(guò)在玉米芯髓芯層和纖維素水凝膠表面涂覆羥基化碳納米管，構(gòu)筑了玉米芯髓芯層/碳納米管（CP/CNTs）和纖維素水凝膠/碳納米管（CH/CNTs）太陽(yáng)能蒸發(fā)器件（圖1），表現(xiàn)出了優(yōu)異的蒸發(fā)性能和污水處理能力。從更廣闊的角度來(lái)看，這項(xiàng)研究采用的仿生策略為設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)可再生的高效太陽(yáng)能蒸發(fā)器件提供了新思路。 


圖1. CP/CNTs蒸發(fā)器件的示意圖。


  玉米芯髓芯層呈現(xiàn)多級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，孔徑范圍為0.4-200 μm，孔隙率為88.63%。同時(shí)，表面富含親水性的-OH基團(tuán)，賦予玉米芯髓芯層強(qiáng)的吸水性能和超親水性（圖2）。將玉米芯髓芯層作為水傳輸層構(gòu)筑太陽(yáng)能蒸發(fā)器件，在蒸發(fā)過(guò)程中，上述特性確保了水的快速傳輸。制備的CP/CNTs蒸發(fā)器件表現(xiàn)出了優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能和蒸發(fā)性能，在1個(gè)太陽(yáng)光照下，其蒸發(fā)速率為3.06 kg m-2 h-1，優(yōu)于目前報(bào)道的基于天然材料制備的太陽(yáng)能蒸發(fā)器件。其高蒸發(fā)速率得益于低的水蒸發(fā)焓（880.5 ± 42.1 J g-1）（圖3）。 


圖2. 玉米芯髓芯層和CP/CNTs蒸發(fā)器件的表征。


圖3. CP/CNTs蒸發(fā)器件的光熱性能和蒸發(fā)性能。


  由于玉米芯髓芯層尺寸上的先天不足，限制了CP/CNTs蒸發(fā)器件的大規(guī)模制備。因此，為了獲得高效可持續(xù)的太陽(yáng)能蒸發(fā)器件，本文采用可再生的羥丙基纖維素構(gòu)筑纖維素水凝膠來(lái)模仿玉米芯髓芯層的結(jié)構(gòu)和功能基團(tuán)。如圖4所示，制備的纖維素水凝膠具有多孔結(jié)構(gòu)（孔徑范圍：10-200 μm，孔隙率：85.6%）和超親水性。構(gòu)筑的CH/CNTs蒸發(fā)器件的蒸發(fā)速率為2.56 kg m-2 h-1，蒸發(fā)焓為1280.7 ± 57.8 J g-1（圖5）。 


圖4. 纖維素水凝膠的制備和CH/CNTs蒸發(fā)器件的表征。 


圖5. CH/CNTs蒸發(fā)器件的光熱性能和蒸發(fā)性能。


  此外，通過(guò)模擬1個(gè)太陽(yáng)光照下，純水、玉米芯髓芯層和纖維素水凝膠中水分子的蒸發(fā)過(guò)程，他們發(fā)現(xiàn)水分子在玉米芯髓芯層和纖維素水凝膠中具有更快的蒸發(fā)速率（圖6）。由于水分子/玉米芯髓芯層、水分子/纖維素水凝膠之間強(qiáng)的氫鍵相互作用，減弱了玉米芯髓芯層和纖維素水凝膠中水分子之間的氫鍵作用，使其表現(xiàn)出低的水蒸發(fā)焓。 


圖6. 純水、玉米芯髓芯層和纖維素水凝膠中水蒸發(fā)過(guò)程的分子動(dòng)力學(xué)模擬。


  CP/CNTs和CH/CNTs蒸發(fā)器件表現(xiàn)出了優(yōu)異的脫鹽（海水淡化）能力、染料污水處理能力和油水分離性能（圖7）。此外，在太陽(yáng)光照下，CP/CNTs和CH/CNTs蒸發(fā)器件還具有良好的抗菌性能。 


圖7. CP/CNTs和CH/CNTs蒸發(fā)器件的污水處理性能（海水、重金屬離子、染料污水和油水乳液）和抗菌性能。


  相關(guān)工作以“Bioinspired, Sustainable, High-Efficiency Solar Evaporators for Sewage Purification”為題發(fā)表于Advanced Functional Materials，通訊作者為北京航空航天大學(xué)衡利蘋(píng)研究員，第一作者為王祖彬博士（現(xiàn)為鄭州大學(xué)青年教師）。該工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202306806

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