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北航衡利蘋研究員課題組 Adv. Funct. Mater.：仿生可持續高效太陽能蒸發器件實現污水處理

2023-09-07 來源：高分子科技

在雙碳背景下，作為一種環境友好、價格低廉的緩解水危機的方法，太陽能蒸發器件引起了廣泛的關注和研究。然而，目前報道的高效太陽能蒸發器件主要是基于石油化工材料制備的，采用可再生材料構筑的太陽能蒸發器件往往具有較低的蒸發性能。因此，采用可持續的再生材料開發高效太陽能蒸發器件十分關鍵。

近日，北京航空航天大學衡利蘋研究員、江雷院士團隊通過模仿玉米芯髓芯層的結構和功能基團，直接交聯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）太陽能蒸發器件（圖1），表現出了優異的蒸發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計開發可再生的高效太陽能蒸發器件提供了新思路。

圖1. CP/CNTs蒸發器件的示意圖。

玉米芯髓芯層呈現多級多孔結構，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筑太陽能蒸發器件，在蒸發過程中，上述特性確保了水的快速傳輸。制備的CP/CNTs蒸發器件表現出了優異的光熱轉換性能和蒸發性能，在1個太陽光照下，其蒸發速率為3.06 kg m^-2 h^-1，優于目前報道的基于天然材料制備的太陽能蒸發器件。其高蒸發速率得益于低的水蒸發焓（880.5 ± 42.1 J g^-1）（圖3）。

圖2. 玉米芯髓芯層和CP/CNTs蒸發器件的表征。

圖3. CP/CNTs蒸發器件的光熱性能和蒸發性能。

由于玉米芯髓芯層尺寸上的先天不足，限制了CP/CNTs蒸發器件的大規模制備。因此，為了獲得高效可持續的太陽能蒸發器件，本文采用可再生的羥丙基纖維素構筑纖維素水凝膠來模仿玉米芯髓芯層的結構和功能基團。如圖4所示，制備的纖維素水凝膠具有多孔結構（孔徑范圍：10-200 μm，孔隙率：85.6%）和超親水性。構筑的CH/CNTs蒸發器件的蒸發速率為2.56 kg m^-2 h^-1，蒸發焓為1280.7 ± 57.8 J g^-¹（圖5）。

圖4. 纖維素水凝膠的制備和CH/CNTs蒸發器件的表征。

圖5. CH/CNTs蒸發器件的光熱性能和蒸發性能。

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過程，他們發現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，使其表現出低的水蒸發焓。

圖6. 純水、玉米芯髓芯層和纖維素水凝膠中水蒸發過程的分子動力學模擬。

CP/CNTs和CH/CNTs蒸發器件表現出了優異的脫鹽（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蒸發器件還具有良好的抗菌性能。

圖7. CP/CNTs和CH/CNTs蒸發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。

相關工作以“Bioinspired, Sustainable, High-Efficiency Solar Evaporators for Sewage Purification”為題發表于Advanced Functional Materials，通訊作者為北京航空航天大學衡利蘋研究員，第一作者為王祖彬博士（現為鄭州大學青年教師）。該工作受到國家自然科學基金委的支持。

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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