美国东北大学祝红丽教授团队《JMCA》:耐用、抗污的多孔丝瓜络用于高效太阳能淡化海水

美国东北大学祝红丽教授团队《JMCA》:耐用、抗污的多孔丝瓜络用于高效太阳能淡化海水

水污染和淡水资源短缺正在成为值得人类认真考虑的全球性问题,从海水或废水中脱盐和净化水,是满足全球对清洁水日益增长需求的经济有效的方法。近年来,传统的净化水技术,例如反渗透技术,膜处理,离子交换以及一些多效蒸馏系统,尽管已经取得了很大的进展。但与这些高成本、缺乏可持续性的技术相比,太阳能驱动的水蒸发技术因其充分的利用可再生的太阳能资源,对环境危害小,高效等优势引起了科研工作者们极大的关注。

影响太阳能蒸发器高效水蒸发的主要因素包括宽频的光吸收、光热转换的局部化、水分的传导及水分的蒸发。过去的大量研究,尤其是人工合成的碳基材料、等离子体材料以及亲水性的泡沫材料,仍然存在着成本高,制备过程复杂,盐堆积引起的蒸发效率不稳定、耐久性差等缺点。大自然提供了丰富且廉价的原材料,可以转化为可持续的高性能多功能材料。

近日,美国东北大学祝红丽教授团队报道了一种可持续、高效、易制备的双层丝瓜络太阳能蒸发器。作者首先用热台对丝瓜络进行快速碳化处理,顶部碳化层作为具有宽频的光吸收和高光捕获的高效太阳能吸收器。在底层,由于丝瓜络纤维的天然亲水性和分级的大孔、微通道结构,从不同方向往局部加热的碳化层补充足够的水。在海水淡化过程中,大孔和微通道的盐浓度梯度可以通过管壁上的微孔实现盐交换,防止盐在蒸发器表面积聚,从而确保了长期稳定性,如图1~图2所示。

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图1. (A)丝瓜植物图片。(B)可以通过表面碳化的丝瓜络大规模制备太阳能蒸发器件。碳化层用于光吸收,丝瓜络纤维微通道不断吸收和传输海水。(C)蒸发器的多层结构的光吸收机理的示意图;(D)蒸发器的大孔结构及表面光热转化示意图;(E)蒸发器的微通道以及内部光反射机理示意图,蒸发器传质机理(F)蒸发器具有用于水分传输的相互连接的内部微通道,实现光热转换和热局部化的广谱光吸收的碳化表面以及多级结构之间的界面盐交换等特征。(G)界面盐交换放大示意图。在微通道和大孔之间的盐浓度梯度使得盐交换来防止盐积聚。
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图2. (A)丝瓜络几何特征的照片。(B)蒸发器的三维多孔结构和内部通道的SEM图像。(C)蒸发器横截面的SEM 图像,显示纤维内部的多个微通道结构。(D,E)不同放大倍数下的微通道结构横截面的SEM图像。(F,G)不同放大倍数下的纤维内部交错微通道的SEM图像。

丝瓜络作为一种丰富的可再生资源,有着良好的柔韧性和耐久性,其固有的三维多孔结构、可提供毛细作用力的内部微通道、亲水性的富含纤维素的纤维确保了其优异的吸水性能,同时,还具有极低的热导率(57.5 mW m-1 K-1),是一种理想的太阳能界面蒸发材料。丝瓜络上层经碳化处理后,对200 nm – 2500 nm的宽频光谱吸收率达到了95.4 %,远高于未经处理的丝瓜络的光吸收能力(48.4 %)。同时作者也对其高光吸收机理进行了阐述:(1)丝瓜络的多层结构导致内部光散射并被限制在层之间的有限空间中;(2)入射光在粗糙的纤维表面及纤维之间形成的微尺度的大孔内经历多次反射;(3)入射光在纤维内部的微通道内经历多重反射从而将光最大程度的限制在微通道内。由于丝瓜络太阳能蒸发器优异的吸水性、吸光性和隔热性,其在一个模拟太阳光照射下表现出高蒸发速率1.42 kg m-2 h-1 和优异的蒸发效率89.9%, 如图3~图5所示。

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图3. (A)丝瓜络结实、柔韧性能的图片。(B)丝瓜络和木材的吸水性对比。(C)碳化丝瓜络(红色)的吸收光谱和AM 1.5标准太阳辐射光谱(蓝色)。(D)天然丝瓜络和碳化丝瓜络的FT-IR光谱。
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图4. (A)在3个模拟太阳光照射下蒸发器产生的可见蒸汽的照片。(B)太阳能蒸发实验装置的示意图。(C)在1个模拟太阳光照下,使用纯水,天然丝瓜络,碳化木头和表面碳化丝瓜络的纯水质量变化。(D)在1、2、3和5个模拟太阳光照下,使用表面碳化的丝瓜络蒸发器的纯水质量变化。(E)在1、2、3和5个模拟太阳光照下,丝瓜络蒸发器的蒸发效率和速率。(F)在1、2、3和5个模拟太阳光照射下,蒸发器水蒸发的循环性能,每个循环持续超过1小时;蒸发速率和光学浓度之间的相关性是线性的。(G)与在1个模拟太阳光照射下,基于丝瓜络的蒸发器蒸发速率与相关文献报道的对比图。
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图5. 红外相机拍摄的水,含碳化的丝瓜络蒸发器的水以及碳化的丝瓜络的温度分布的图像。(A)0、5、10、20、30和60分钟后,在3个模拟太阳光照下,水中蒸发器的表面温度变化。(B)0、30和60分钟后,在3个模拟太阳光照下的纯水温度。(C)0、30和60 s后,在3个模拟太阳光照下,干燥的碳化丝瓜络的表面温度。

接着,作者对该蒸发器进行了实际淡化海水的模拟,与碳毡蒸发器表面严重的盐聚集相比,在长达二十天的循环实验中,丝瓜络太阳能蒸发器的结构和蒸发性能保持稳定,显示出优异的自清洁性能和可重复使用性。这是由于(1) 纤维之间的大孔结构与纤维内部微管道,由于盐浓度梯度,可以通过管道壁上的微孔进行盐交换。(2)丝瓜络纤维本身具有很好的亲水性,可迅速吸收水分以补充加热面上的汽化盐水,进一步避免盐堆积。

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图6. (A)照片显示了在20%NaCl溶液中,在1 Sun的太阳辐射10个小时后,常规碳毡蒸发器表面的出现盐积聚,而碳化丝瓜络的表面没有出现盐积聚。(B)在1个模拟太阳光辐射下的碳毡和表面碳化的丝瓜络蒸发器的蒸发速率随时间变化图像。(C)在不同的盐浓度下,使用碳化丝瓜络蒸发器的水质量随时间变化图像。(D)蒸发速率与循环次数的关系图。插图是碳化丝瓜络蒸发器在20次循环使用前后的照片,可以看出其形状的稳定性。(E)循环回用后的丝瓜络,天然丝瓜络(LS),碳化丝瓜络(CLS)以及循环回用后的碳化丝瓜络海绵的顶层XRD图像。(F)循环回用后下层丝瓜络和上层碳化丝瓜络的FT-IR光谱图像。从循环回用回收的CLS的XRD和FTIR结果可以看出,丝瓜络在模拟太阳光进行长期的海水淡化实验是稳定的。

【总结】

在这项工作中,源于自然界的亲水性丝瓜络,通过表面碳化处理,获得了无界面阻力的完整双层结构,具有极高的太阳光谱吸收率,同时,丝瓜络固有的由排列良好的微通道(10-20μm)组成的微纤维(~100μm)的独特层级结构,可以作为光吸收体和水泵用于太阳能海水淡化。因此这种低成本、丰富、可持续且性能稳定的天然丝瓜络高效太阳能蒸发器具有大规模应用的广阔前景。

上述工作近期以“‘Antifouling’ Porous Loofahs Sponge with Internal Microchannels as Solar Absorbers and Water Pumpers for Thermal Desalination”为题发表在英国皇家化学学会旗下材料学国际知名期刊 Journal of Materials Chemistry A, 该论文第一作者为美国东北大学与华南理工大学联合培养博士生刘超, 美国东北大学祝红丽教授为该论文的通讯作者。

论文链接:

https://doi.org/10.1039/D0TA03872E

课题组链接:

http://www.coe.neu.edu/research/hongli_group/

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