Small 协同双机制局部热通道和光谱定制液态金属水凝胶用于高效太阳能水蒸发和脱盐
时间: 2024-09-17 10:46:24 | 作者: 行业新闻
随着人类社会生活水平的提高和消费模式的改变，淡水资源短缺和水污染问题已成为全世界水资源面临的挑战之一。未解决日益严重的水资源短缺问题，迫切地需要可持续的、高能效的淡水采集方法。解决这一困境的最好方法之一是从废水或海水中回收洁净水。然而，传统的多级蒸发和反渗透技术由于耗电量大、基础设施复杂等原因，其发展受到诸如积盐、生物污损和日光间歇性等外部问题的限制。迄今为止，加快速度进行发展的太阳能光热技术，如太阳能驱动的盐水淡化和界面太阳能蒸汽生成(ISSG)，被认为是最有希望从海水或生活垃圾污水中提取淡水的解决方案。ISSG技术通过将太阳能热量局域在蒸发器表面附近，可以轻松又有效地减少热损失，从而加速蒸发过程，因此光热材料在该技术中起着至关重要的作用。尽管过去几年在光热材料和结构方面取得了惊人的成就，但其应用仍处于初级阶段。
ISSG系统的典型构型主要由太阳能吸收器(即光热材料)、亲水基材和本体水3部分所组成。作为ISSG系统的核心部件，太阳能吸收器的集热能力和能量转换效率对实现高效的太阳能热转换和热管理具备极其重大意义。许多光热材料，包括贵金属纳米材料、无机半导体和碳材料，以及共轭聚合物，已经被发现可作为优异的太阳能吸收结构，并被考虑用于太阳能蒸汽生成。目前，光热杂化碳纳米材料作为蒸汽发生界面得到了广泛的探索，这得益于杂化体系中各组分之间的互补作用，从而获得了高效的太阳能-热转换能力和可定制的吸收结构特征。
目前，具有光热共晶镓铟(EGaIn,液态金属(LM))(熔点为15.5℃)微纳米液滴嵌入聚合物基体的光触发聚合物复合水凝胶作为新兴的光热响应材料被广泛探索。EGaIn光热材料由于其良好的流动性和光诱导自由电子振荡产生的快速热激发过程，在光热治疗和成像造影剂等各种有前途的应用中引起了人们的极大兴趣。然而，由于其较窄的光谱吸收区域和较差的热限域性，含EGaIn的聚合物水凝胶在ISSG体系中的蒸发效率一般受到限制。为减少这些限制，许多如构建金属-有机框架，微纳结构工程和引入界面π-π堆积作用等策略被用来缩小EGaIn的光学带隙，并将其吸收带拓宽到长波长范围/近红外(NIR)区域。此外，利用金属-有机酚类配位化学形成金属-酚类网络(MPNs)的界面组装策略也是研究热点之一，在拓展超宽频谱太阳能吸收和光热转换能力方面具有巨大潜力。
为此，四川大学张军华教授课题组通过嵌入胶囊壳结构的液滴(EGaIn核/没食子酸组装体(GAs)-铁(III))胶囊和碳壳包裹的银纳米线(Ag@C)海绵作为汽化界面，PVA作为可水合主链，制备了一种具有高水合性的一体化可调水凝胶蒸发器。
本研究提出了一种通过表面工程和一体化组装技术制备超宽波段光吸收和光热复合水凝胶的方法，使其具有近μm的热限制和高效的光热转换能力并可用于高效的太阳能驱动脱盐。该体系成功构建了由光热LMGAs-FeⅢ杂化液滴和优化的Ag@C750骨架组成的双机制局域热通道，可作为水凝胶壁和通道在PALGH蒸发器中提供水，以减少蒸发能量需求，从而加快蒸发速率。得益于优化后PALGH3优异的光热转换效率和高水合性，在3.5 wt % NaCl溶液中，一次太阳光照射下可获得3.47 kg m -2 h - 1的显著蒸发速率，比纯水中提高了7.4 %。得益于独特的双水激活光热材料和耐盐机理，PALGH3蒸发器表现出强劲的太阳能驱动界面脱盐稳定性、高能量转换效率和水/热管理能力。在这些特性的驱动下，室外太阳能驱动海水淡化试验和废水净化试验进一步证明了PALGH3蒸发器用于水质净化的可靠性。我们大家都认为所提出的局部化双网络热通道集成策略为高效的太阳能-界面蒸发应用提供了新的思路。
图1 . a) 自支撑碳包裹银纳米线核壳复合海绵(Ag@C)的制备过程示意图；b )利用PALGH蒸发器制备光热LMGAs-FeⅢ混合液滴并构建太阳能驱动界面脱盐的示意图；c-e ) PALGH太阳能蒸发器用于水/热管理的可行强化机制示意图。
图 2. a )热碳化前Ag@PVA海绵的形貌和微观结构。b )优化后Ag@C750海绵的SEM照片。c )单个Ag@C750纤维内部的TEM和HR-TEM照片。d )单个Ag@C750纳米纤维的高角度环形暗场TEM照片和EDX能谱。标尺：200 nm。e ) FT-IR光谱，f ) XPS分析，g )不一样的温度热碳化前后Ag@C海绵的拉曼光谱。h ) XRD图谱。i ) @C750和Ag@C950海绵的吸收光谱。j ) 1个太阳辐射下Ag@C750海绵的红外热像和相应的数字图像。k )一系列Ag@C海绵在一个太阳下的温度演变。
图 4. a，b )不同放大倍数的冷冻干燥PALGH复合水凝胶蒸发器中气凝胶组分的断面SEM照片；c )PLGH和PALGH (300~2500 nm,湿态)的吸收光谱；d )一次太阳辐照下PLGH和PALGH蒸发器的实时表面温度演化曲线和e )剖面图；f ) LMs界面上GA和GAs衍生物的MO图和计算能量图；g )不同LMGAs-FeⅢ纳米液滴负载的PALGH中的饱和水含量；h )PALGH的水分传输行为和半膨胀时间；i )一个太阳辐照下PALGH在去离子水中的质量随光照时间的变化；j )一个太阳辐照下PALGH在去离子水中的蒸发速率和太阳能蒸汽生成能量效率；k )不同太阳辐照下PALGH3蒸发器的蒸发速率和能量效率。
图 5. a ) PALGH3在不同光照强度下的蒸发速率和能量蒸发效率；b )PALGH3的能量效率随厚度的变化；c ) PALGH3在去离子水和盐水中的质量变化随一个太阳光照时间的变化；d )拉曼光谱拟合曲线在不同浓度NaCl溶液中溶胀的IW和FW，e )对应的IW/FW比值；f )设计的PALGH3太阳能驱动界面汽化吸收器的纳米示意图；g )拟合的DSC曲线在不同浓度盐水中水的典型熔化行为和h )对应的IW和FW比值；i ) PALGH3在一个太阳光照60 h的人工海水浴上工作前后表面的数字图像。
图 6. a )室外纯净水收集测试，并记录了从3月3日到5日在中国成都的最高环境和温度。b )四川大学(中国成都)宿舍外太阳光强度和室外温度的变化。c )定制的水接收器的数字图像由一个工作的PALGH3蒸发器和一个装有亲水性海绵的塑料瓶组成，纯净水的实际体积从早上8：00到下午6：00。d )收集的纯净水经过太阳能脱盐后从实际海水中测量的盐度。e )收集的纯净水的UV - vis光谱，与初始的甲基蓝(5 ppm)溶液作比较。f )使用恒定电极间距的万用表评估脱盐后的水质。