蘇黎世聯邦理工學院王京教授和瑞士材料科學聯邦實驗室趙善宇博士團隊 AS：植物仿生制備太陽能被動氣凝膠熱蒸騰泵用于可揮發有機物降解
2022-02-28 來源：高分子科技
受水生植物中太陽能光驅動氧氣傳輸的啟發，蘇黎世聯邦理工學院(ETHZ)王京教授和瑞士材料科學聯邦實驗室(Empa)趙善宇博士團隊通過仿生水生植物的熱蒸騰效應開發了一種新型可持續光驅動氣凝膠泵，其表面層含有黑色氧化錳 (MnO2) 作為光吸收劑（圖1）。泵送空氣的流動強度由納米纖維素 (NFC)、尿素改性殼聚糖 (UMCh) 和聚甲基倍半硅氧烷 (PMSQ) 氣凝膠的孔隙特性控制（圖2）。由 MnO2 驅動的光熱轉化誘導了揮發性有機污染物的被動流動和催化降解。與基準的 Knudsen 泵系統相比，所有氣凝膠都表現出卓越的泵送能力（圖3）。無機 PMSQ 氣凝膠在輸入功率和光熱降解活性方面提供了更大的靈活性（圖4）。因此，這種氣凝膠光驅動的多功能氣泵系統為氣體傳感設備、空氣質量測繪和空氣質量控制系統提供了廣泛的未來應用。
圖 2 A) 聚甲基倍半硅氧烷 (PMSQ)-MnO2 雙層氣凝膠的照片。 B) MnO2 納米薄片的SEM 和 C) HRTEM 圖像以及嵌入 PMSQ 中的 MnO2 的 SEAD 衍射圖。嵌入 D) 納米纖維素 (NFC)，E) 尿素改性殼聚糖 (UMCh) 和 F) PMSQ 中的 MnO2 納米薄片的 TEM。基于 X 射線斷層掃描的 3D 體積渲染低密度氣凝膠基質（紅色），及MnO2 納米薄片（灰色）對應于G）NFC，H）UMCh和 I）PMSQ 氣凝膠基體。
圖4 雙功能氣凝膠膜的污染物降解。A) 多孔氣凝膠的吸附能力和 B) 甲苯的降解效率及穩態溫度。C) 含有MnO2 的 NFC、UMCh 和 PMSQ 樣品的 X 射線衍射 (XRD) 圖。D) 原始氣凝膠材料的熱重分析（TG 和 DTG）。E) 吸收層 (50 wt.% MnO2) 的 XPS 光譜：MnO2 和嵌入氣凝膠中的 MnO2 的 Mn2p3/2電子能量疊加，以及半峰全寬列表。 F) PMSQ、UMCh 和 NFC 氣凝膠的 紅外光譜。
該工作是團隊近期關于多孔氣凝膠材料熱蒸騰效應相關研究的最新進展之一。1909 年，Knudsen 首次使用長玻璃管毛細管探索了熱蒸騰過程。而在多孔材料中產生有效熱蒸騰的一般要求是 (i) 保持的溫度梯度不會因穿過多孔材料的強熱傳輸而顯著損害，(ii) 通過開孔的有效氣體傳導，和 (iii) ) 氣體分子的平均自由程與孔弦長度的適當比率（克努森數 Kn范圍為 1-10）（圖3）。氣凝膠是制造熱蒸騰泵（KP）的理想材料候選者，因為它們具有低密度、高孔隙率和超低熱導率。對于此類材料，形成熱梯度傳統上通過電阻加熱器進行額外功率輸入。而在自然界中，水生植物的熱蒸騰是由太陽能被動誘導的，太陽能是最環保的可持續電力輸入之一。通過模仿這種自然系統，團隊提出了由各種氣凝膠材料組成的 KP 裝置，這些材料在孔結構、可達到的孔徑和操作溫度方面具有互補的特性。使用光（例如太陽能）作為唯一的能量輸入，可持續的被動質量流由氣凝膠的不同結構控制。因此，在空氣通過雙層氣凝膠膜傳輸的過程中，有機污染物的去除通過吸附到氣凝膠多孔結構和 MnO2表面活性位點上，然后進行光熱催化來促進降解（圖4）。在過去的幾年中，團隊開發探索了氣凝膠基熱蒸騰泵原型（ACS AMI, 2015, 7 (33), 18803-18814），并采用3D打印技術實現了超薄雙層氣凝膠泵的組裝（Nature, 2020, 584 (7821), 387-392），為推進太陽能被動氣凝膠多功能泵送系統進行研究探索，為實現清潔能源和碳中和提供新的途徑。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202105819
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（責任編輯：xu）
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