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北航衡利蘋研究員課題組 Adv. Funct. Mater.：仿生可持續(xù)高效太陽能蒸發(fā)器件實現(xiàn)污水處理

2023-09-07 來源：高分子科技

關(guān)鍵詞：仿生太陽能蒸發(fā)器交聯(lián)可再生多孔纖維素水凝膠

在雙碳背景下，作為一種環(huán)境友好、價格低廉的緩解水危機的方法，太陽能蒸發(fā)器件引起了廣泛的關(guān)注和研究。然而，目前報道的高效太陽能蒸發(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)的再生材料開發(fā)高效太陽能蒸發(fā)器件十分關(guān)鍵。

近日，北京航空航天大學(xué)衡利蘋研究員、江雷院士團隊通過模仿玉米芯髓芯層的結(jié)構(gòu)和功能基團，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。從更廣闊的角度來看，這項研究采用的仿生策略為設(shè)計開發(fā)可再生的高效太陽能蒸發(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)多級多孔結(jié)構(gòu)，孔徑范圍為0.4-200 μm，孔隙率為88.63%。同時，表面富含親水性的-OH基團，賦予玉米芯髓芯層強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)筑太陽能蒸發(fā)器件，在蒸發(fā)過程中，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個太陽光照下，其蒸發(fā)速率為3.06 kg m^-2 h^-1，優(yōu)于目前報道的基于天然材料制備的太陽能蒸發(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)筑纖維素水凝膠來模仿玉米芯髓芯層的結(jié)構(gòu)和功能基團。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，通過模擬1個太陽光照下，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)過程的分子動力學(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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（責任編輯：xu）

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