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西安工程大學支超團隊 Small：受蓮蓬啟發(fā)的具有出色耐鹽性和機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），利用太陽能對海水進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)了多種光熱轉換材料（包括生物質材料，碳基材料，金屬納米顆粒，無機半導體和有機高分子材料等）用于制備ISSG，并通過合理的結構設計進一步提升其海水淡化性能。


  然而，ISSG的結構設計仍面臨一些共同的挑戰(zhàn)：首先，ISSG的表面通常是平面，導致較低的光吸收率；其次，大多數(shù)ISSG缺乏定向輸水功能，導致向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)過程中鹽的結晶和積累阻礙水分輸送、機械強度弱及結構易坍塌等挑戰(zhàn)，現(xiàn)階段被廣泛研究的ISSG難以同時應對上述挑戰(zhàn)。因此，需要進一步開發(fā)集優(yōu)異的光吸收、快速的水輸送、良好的機械性能和耐鹽性于一體的高性能ISSG。



  西安工程大學支超團隊受蓮蓬的天然結構啟發(fā)，結合專業(yè)優(yōu)勢設計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構的經(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）結合，制備出一種新型的具有蓮蓬仿生結構的ISSG（rGO-SA-PSF），如圖1所示。rGO-SA-PSF在1 kW m-2光照強度下具有優(yōu)異的海水淡化性能，同時兼具優(yōu)秀的機械性能及耐鹽性，在太陽能驅動的水蒸發(fā)、海水淡化和廢水處理領域具有廣闊的應用前景。


  在本項研究中，rGO-SA-PSF通過PSF獨特的底層小孔產(chǎn)生的蓮蓬根狀芯吸作用實現(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建出的多條定向輸水通道實現(xiàn)高效輸水。此外，由PSF獨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的物理特性和化學結構如圖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，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構的成功構建，且氣凝膠的親水性和PSF的表面粗糙度及多孔結構保證了rGO-SA-PSF的超親水性。 


圖2 rGO-SA-PSF的物理特性和化學結構


  rGO-SA-PSF獨特的凹孔表面結構和大量定向輸水通道有利于對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95.6%，在4秒內(nèi)達到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，同時還表現(xiàn)出良好的柔韌性和彈性恢復能力。 


圖3 rGO-SA-PSF的光熱、水管理和機械性能


  rGO-SA-PSF的太陽能驅動水蒸發(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，rGO-SA-PSF對不同光照強度表現(xiàn)出優(yōu)異的蒸發(fā)穩(wěn)定性和適應性。與以往文獻報道的大多數(shù)基于rGO的ISSG相比，rGO-SA-PSF具有性能優(yōu)勢。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的太陽能驅動水蒸發(fā)和海水淡化性能


  在耐鹽和自脫鹽實驗中（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。在戶外實驗中，本文搭建了一個簡易的太陽能驅動淡水收集裝置，該裝置在一天內(nèi)（9：00-17：00）可收集高達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，收集的水能夠達到飲用標準。 


圖5 rGO-SA-PSF的耐鹽性、自脫鹽性及在戶外實驗下的海水淡化性能


  在本研究中，rGO-SA-PSF對模擬工業(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的太陽能驅動廢水凈化性能


  綜上，本研究提出的具有蓮蓬仿生結構的ISSG為實現(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、輸水和力學等方面優(yōu)異的綜合性能，具有該種仿生結構的ISSG在太陽能驅動的水蒸發(fā)、海水淡化以及廢水處理等領域具有巨大的應用潛力。


  相關研究以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紡織科學與工程學院碩士研究生馬浩東，共同第一作者為西安工程大學余靈婕副教授，通訊作者為西安工程大學支超副教授。西安工程大學孟家光教授、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苗孟河研究員參與了相關研究工作。感謝國家自然科學基金、陜西省重點研發(fā)計劃、陜西省創(chuàng)新能力支撐計劃、陜西高校青年杰出人才支持計劃項目等對本工作的大力支持。


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

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（責任編輯：xu）
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