从自然可持续性的角度出发,制备一种导电和磁性的碳气凝胶

太阳能驱动的界面蒸发(SIE)是一种很有前途的获取洁净水的方法,但在海水中存在严重的盐垢和长期性能差的问题。本文,中科院兰州化物所张俊平研究员团队在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Electrically Conductive Carbon Aerogels with High Salt-Resistance for Efficient Solar-Driven Interfacial Evaporation”的论文,研究从自然可持续的角度报道了一种高性能的抗盐SIE系统。以废纸为原料,对Fe3O4改性纤维素进行炭化制备导电和磁性的碳气凝胶,利用O2活化其外表面,形成Janus超亲水/超疏水结构。

气凝胶具有大孔骨架的超亲水性外表面可确保超快速且充足的水供应和盐分扩散,而超疏水性内部则是阻碍水/盐渗透的绝热体。得益于高的太阳能吸收率(〜97%),低的热导率,独特的Janus结构以及光热/电热效应,气凝胶在模拟海水中表现出高蒸发率(2.1 kg m –2 h –1)。气凝胶具有以下卓越的长期防盐性能:

(i)即使在10 wt%的NaCl溶液中,在模拟海水中连续蒸发> 20 d也不会降解,

(ii)在不补充海水的情况下连续蒸发> 50 h。

此外,气凝胶可以从复杂的废水中完全去除重金属离子,可溶性有机物和油。这项研究为通过海水和复杂废水的SIE获得清洁水提供了另一种方法。

高耐盐性的导电碳气凝胶,实现太阳能驱动的界面蒸发
图1.(a)从自然可持续性的角度设计使用废纸的高性能p-MC SIE系统。 (b)被磁铁吸起的MC气凝胶的照片。 (c,d)MC气凝胶的SEM图像。
高耐盐性的导电碳气凝胶,实现太阳能驱动的界面蒸发
图2.(a)XPS光谱和(b)MWP和MC气凝胶的XRD图谱。 (c)MWP和MC气凝胶的磁曲线。 (d)MC气凝胶在不同应变下的应力-应变曲线。 (e)50%应变的MC气凝胶的循环压缩测试。 (f)MC气凝胶在50%应变时的最大应力和压缩循环的历史。 (g)使用MC气凝胶对LED灯进行应变控制 (h)磁铁控制的开关。
高耐盐性的导电碳气凝胶,实现太阳能驱动的界面蒸发
图3.(a)干和湿p-MC气凝胶的UV-vis-NIR吸收光谱。 (b)p-MC气凝胶的外表面和内部润湿性。 (c)使用在顶部表面具有相反润湿性的p-MC气凝胶进行SIE的示意图。
高耐盐性的导电碳气凝胶,实现太阳能驱动的界面蒸发
图4.(a)在不同光照下,p-MC气凝胶的水量变化和(b)随时间变化的顶表面温度。(c)在太阳光照下p-MC气凝胶顶表面的红外图像。(d)不同光照下p-MC气凝胶的蒸发速率和光热效率。
高耐盐性的导电碳气凝胶,实现太阳能驱动的界面蒸发
图5.(a)在1个阳光照射下,3.5 wt%NaCl溶液的质量随时间变化。 (b)在1个阳光照射下在3.5 wt%NaCl溶液中连续SIE期间p-MC气凝胶的蒸发速率。 (c)在3.5 wt%的NaCl溶液中进行20 d SIE测试期间,在每天1个阳光下连续照明6 h的情况下,在20 d SIE测试期间蒸发速率和光热效率的变化。 (d)20 d SIE测试期间的p-MC气凝胶照片 (e)20 d SIE测试之后的气凝胶的SEM图像。 (f)与最近报道的高性能SIE系统相比,p-MC气凝胶具有耐盐防污性能。 (g)p-MC气凝胶外表面和内部的动态润湿行为。 (h)p-MC气凝胶的防盐机理示意图。
高耐盐性的导电碳气凝胶,实现太阳能驱动的界面蒸发
图6.(a)在p-MC气凝胶存在下,在1次日光照射下,水相中含有3.5 wt%NaCl的模拟复杂废水(甲苯/水= 1/9,v / v)的质量变化。 (b)使用MC气凝胶从用MB染色的海水中去除用油红O染色的甲苯。 (c)废水和冷凝水的气相色谱图。 (d)0.8 ppm MB水溶液和冷凝水的照片和紫外可见光谱。 (e)冷凝水中的离子浓度。

 

总之,从自然可持续性的角度出发,制备了一种导电和磁性的碳气凝胶,用于高性能耐盐SIE水净化。碳气凝胶显示出高度多孔的结构,低密度,出色的机械性能,高的太阳吸收率,低的热导率,独特的Janus结构以及光热/电热效应。因此,气凝胶提供了一种通过海水和复杂废水的SIE获得清洁水的替代方法。该研究为设计用于实际脱盐和水净化的高级太阳能蒸发器提供了新途径。

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