二氧化硅纳米纤维气凝胶用于耐盐太阳能海水淡化

全球数十亿人仍然无法获得充足和清洁的淡水。从盐水中进行太阳能淡化被认为是解决这一严重危机的最有希望的建议之一。然而,迄今为止,大多数报道的蒸发器仍然存在由于盐结晶在其表面积累而导致蒸发率下降的问题。最近,东华大学丁彬研究员、武汉大学邓红兵教授科研团队受芦苇叶的血管组织结构、蒸腾作用和防污功能的启发,该团队设计了具有平行排列的血管和疏水表面的仿生分层纳米纤维气凝胶,用于高效和耐盐的太阳能海水淡化

芦苇叶启发的二氧化硅纳米纤维气凝胶,用于耐盐太阳能海水淡化num


可折叠的血管壁和柔软的二氧化硅纳米纤维使受芦苇叶启发的纳米纤维气凝胶 (R-NFAs) 具有优异的机械性能,并使它们能够承受反复压缩。此外,R-NFAs 可以有效地吸收阳光(光吸收效率:94.8%)并将盐水蒸发成蒸汽,类似于芦苇叶(蒸发率:1个太阳下 1.25 kg m–2 h–1)。更重要的是,通过疏水表面和平行排列的容器,R-NFAs 可以在高强度光(高达6个太阳光)下在高浓度盐水(饱和,26.3 wt%)中稳定工作,表现出强大的耐盐性。

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预计具有组合抗盐孔和表面结构的 R-NFA 将为抗盐太阳能海水淡化提供设计概念。相关论文以题为Reed Leaves Inspired Silica Nanofibrous Aerogels with Parallel-Arranged Vessels for Salt-Resistant Solar Desalination发表在《ACS Nano》上。

主图

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图 1. (a) 传统太阳能蒸发器的光吸收、水传输、蒸汽产生和盐结晶。(b) 芦苇叶的微观结构和疏水性。(c) 芦苇叶的光吸收、水传输、蒸汽产生和耐盐性启发了纳米纤维气凝胶(R-NFA)。

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图 2. (a) R-NFAs 制造过程示意图。(b-d) 具有不同放大倍数的 R-NFA 的分级多孔微结构。(e) R-NFA 的压缩和回弹。(f) R-NFA 的光吸收和疏水性。(g) R-NFAs 产生的蒸汽在自制冷凝水收集示范系统的冷凝水壳上冷凝。

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图 3. (a) SNA 随应变增加的应力-应变曲线。(b) 500 次循环压缩试验,应变为 60%。(c) 500 次循环压缩试验中最大应力、能量损失系数和杨氏模量的变化。(d) R-NFA 的粘弹性。

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图 4. (a) R-NFA 和 W-NFA 的 UV-vis-NIR 吸收光谱。(b, c) R-NFA 和 W-NFA 在空气中 1s 太阳光下的光热转换性能。(d, e) 1sun 下蒸发器从 0 到 30 分钟的温度分布和变化。(f, g) 不同光强下30 min后蒸发器的温度分布及变化。

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图 5. (a) R-NFAs 和纯水在 1 个太阳下随时间推移的累积质量损失。(b) R-NFAs 和纯水的蒸发率在 1 个太阳下随时间变化。(c) R-NFA 在 1 个阳光下的可重用性。(d) R-NFAs 上表面和底层的水接触角。(e) R-NFAs 在不同浓度盐水中的蒸发速率。(f) R-NFA 和 B-NFA 在 6 太阳下在饱和盐水中随时间的蒸发速率。(g, h) 数码照片显示了 R-NFA 的强抗盐性和 B-NFA 的盐积累。(i) R-NFAs 和报告的蒸发器的耐盐性比较。Copt 表示氙灯的光集中系数。

总结

受芦苇叶结构和功能的启发,团队构建了一种二氧化硅纳米纤维气凝胶蒸发器,该蒸发器模仿平行排列的维管组织和芦苇叶的疏水表面,以在高浓度盐水中的高强度光下实现耐盐性。受益于这种仿生结构的优势,R-NFAs 可以在高浓度盐水中工作而不会出现任何衰退,即使是在6个太阳下的饱和盐水(26.3%)。此外,由于 94.8% 的高效光吸收特性,R-NFAs 在 1 个太阳下实现了 1.25 kg m-2 h-1 和 6.77 kg m-2 h-1 在 6 个太阳下的蒸发率。凭借可折叠的血管壁和柔性二氧化硅纳米纤维,R-NFA 表现出强大的机械性能。在 500 次压缩循环后,它们可以保持完整,只有大约 20% 的轻微塑性变形。团队期待这种模拟芦苇叶的分层蜂窝结构设计能够为海水淡化、废水处理和太阳能收集等领域带来巨大的启发。

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