太阳能驱动界面蒸发技术为缓解日益严重的淡水短缺问题提供了一种可持续发展的清洁水生产策略。在过去的几十年里,为了提高蒸发器的蒸发速率和光热转化效率,科学家们在太阳能蒸发器材料设计、结构/配置设计方面进行了不断探索。然而,在实际应用过程中,太阳能蒸发器仍然面临着成本高、机械性能e差以及长期耐用性低的问题。近期,西北师范大学李健课题组选择成本低、环境友好以及低热导率的凹凸棒(attapulgite, ATP)为主要成分,纳米纤维素(nano-fibrillated cellulose, NFC)为骨架、通过聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)和戊二醛(glutaraldehyde, GA)的醛醇缩合反应制备了具有高机械强度的定向排列结构气凝胶(APN),最后将聚吡咯喷涂在该气凝胶的上表面,构建光热转换层(APNP)。基于其高光吸收、低导热性、超亲水性,制备的气凝胶在纯水中具有高效的蒸发速率(1.41 kg m-2 h-1)以及优异的能量转换效率(87.6%)。此外,由于ATP的刚性结构、耐酸耐碱性和优异的环境稳定性以及定向排列结构设计,即使在高浓度盐水、酸溶液、碱溶液、热水等恶劣环境中,该气凝胶也能保持高效稳定的蒸发性能(1.30-1.40 kg m-2 h-1)。相关研究以“Robust superhydrophilic attapulgite-based aligned aerogels for highly efficient and stable solar steam generation in harsh environment”为题发表在最新的Journal of Materials Chemistry A上。第一作者为西北师范大学硕士生宋亮,通讯作者为硕士生导师牟鹏副教授和博士生导师李健教授

APNP气凝胶的制备】

如图1所示,作者使用溶胶-凝胶法,基于ATP表面的大量羟基基团,引入NFC作为骨架结构使ATP稳定分散在溶液中,进一步通过PVA和GA的羟醛缩合反应加强溶胶的网络结构。对形成的溶胶进行定向预冷冻和冷冻干燥技术得到定向排列结构的APN气凝胶。为了增加气凝胶的光吸收性能,在其表面喷涂聚吡咯形成APNP气凝胶。

超亲水凹凸棒基气凝胶用于恶劣环境下的太阳能高效界面蒸发-1

图1 (a) APN气凝胶制备示意图,(b)不同形状的APN气凝胶的光学照片,(c)将APN气凝胶置于狗尾巴草上,(d) APN气凝胶承受2公斤重量的光学照片,(e)直径为15厘米的放大APN气凝胶。

【图文速览】

超亲水凹凸棒基气凝胶用于恶劣环境下的太阳能高效界面蒸发-2

图2 (a-c) (a)APN-20气凝胶、(b)APN-40气凝胶和(c)APN-60气凝胶在低倍率下纵切面的SEM图像。(d-f) (d) APN-20气凝胶、(e)APN-40气凝胶和(f)APN-60气凝胶在高倍率下的SEM图像。(g-i) (g)APN-20气凝胶、(h)APN-40气凝胶和(i)APN-60气凝胶的横截面SEM图像。

超亲水凹凸棒基气凝胶用于恶劣环境下的太阳能高效界面蒸发-3

图7 (a) APN-20、APN-40、APN-60气凝胶在1个太阳照射下的质量-时间曲线。 (b) APN-20、APN-40、APN-60气凝胶在1个太阳照射下对纯水的蒸发速率和能源效率。(c) 不同高度(0.5cm、1.0cm、1.5cm)的APNP-40气凝胶在1个太阳照射下的质量-时间曲线。(d) PW、APN-40和APNP-40气凝胶在一个太阳照射下的质量-时间曲线。(e) PW、APN-40和APNP-40气凝胶在1个太阳照射下的表面温度变化曲线。(f) PW、APN-40、APNP-40气凝胶不同时间表面温度的红外图像。

超亲水凹凸棒基气凝胶用于恶劣环境下的太阳能高效界面蒸发-4

图8 (a)在1个阳光照射下,APNP-40气凝胶处理3.5%、5%、10%、15%和20%盐水时的质量-时间曲线。(b)在1个阳光照射下,APNP-40气凝胶处理PW(3.5%、5%、10%、15%、20%)盐水、酸、碱和热水(HW)的蒸发率和能源效率。(c) 在1个阳光照射下,APNP-40气凝胶处理酸、碱和热水的质量-时间曲线。(d)在1个阳光照射下,APNP-40气凝胶处理20%盐水、酸、碱以及在纯水中循环10次后的蒸发速率。(e)模拟海水淡化前后Na+、K+、Ca2+、Mg2+的浓度变化。

【总结】

作者通过合理设计成功制备了具有高机械强度以及定向排列结构的ATP气凝胶。归因于其高光吸收、低热导率、超亲水性以及定向结构。APNP气凝胶具有高能量转换效率。此外,即使在恶劣环境下(高浓度盐水、酸、碱、热水),该气凝胶依然能保持高效稳定的蒸发。通过廉价以及可持续材料的使用、灵活可调的结构设计、强健的机械性能以及可扩展制备的方法,我们的工作提供了一种制造高效稳定太阳能蒸发器的有效策略。

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