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甯波材料所在非對稱仿生界面高分子複合材料用于太陽能海水淡化方面取得系列進展
作者:,日期:2019-08-15

  水資源短缺是目前面臨的一個全球性問題,對地球上豐富的海水進行淡化則是解決水資源短缺問題的一個重要途徑。但傳統的海水淡化往往需要高能量消耗,在一些能源短缺的地區難以實現,因此,亟需一種綠色、高效、可持續的海水淡化方法來緩解上述危機。太陽光驅動的界面光熱水蒸發,由于其可以通過在遠遠低于水沸騰的溫度下産生蒸汽來進行海水純化,在過去幾年中引起了越來越多的關注。但是目前大多數的光熱純化都集中在二維(2D)界面汽化平台上,其存在立體空間利用效率低、熱損失高等問題。因此,在一個受限制的系統中,將2D光吸收器單元構建成三維(3D)框架被認爲是提高淨化水收集能力的最爲直接有效的方法之一。

  基于前期发展的一种水-空界面毛细力诱导挤压,中國科學院宁波材料技术与工程研究所陈涛研究员团队构建了大面积、可任意转移的碳纳米管薄膜的方法(Chem. Mater. 2016, 28, 7125;ACS Nano 2019, 13, 4, 4368-4378),最近,該團隊通過毛細力轉移的方法,在水空界面上將碳納米管薄膜和商業用打印紙原位複合,構建了一種柔性、可剪裁且可圖案化的非對稱碳納米管複合紙。受到大自然中樹木的結構的啓發,樹木能夠在三維方向上生長,並具有分層的葉子和根用來增強蒸騰作用,研究人員進一步將這種圖案化的非對稱碳紙經過特定的剪裁、組合成3D樹形結構,並將其運用于光熱水純化(如圖1)。結果發現,這種3D樹形結構的光熱蒸發器相比較2D平面結構具有一個更強的光熱水蒸發能力,其海水純化能力最高能到達2.38kg/m2/h(Solar RRL 2019, DOI: 10.1002/solr.201900004)。

  然而,當處于一個不受限的系統中時,2D結構有時比3D結構具有更大的優勢。因此,怎樣簡單、快速地實現光熱蒸發器2D/3D結構的轉換來適應不同的環境仍然面臨挑戰。該團隊通過吡咯單體在纖維素紙表面原位氧化聚合得到聚吡咯雜化紙(PPyP),並利用對PPyP微觀/宏觀層面的協同調控,實現了最佳的光熱水純化速度。相比于傳統固定的3D結構,該PPyP可實現2D/3D結構的相互切換(如圖2),並具有很好的切換穩定性,從而可以更好地適應不同的應用環境(ACS Appl. Mater. Inter. 2019,11,15498-15506)。

  基于上述研究,最近,研究人員通過在棉織物表面可控的氧化聚合吡咯單體,制備得到了一種低價、大面積且具有機械穩定性、可洗滌和可縫制的聚吡咯棉布(PCM,如圖3)。令人驚喜的是,此光熱織物是通過濕法制備,展示了其能夠大規模生産的潛力,且成本低至2美元/米2左右,具有相當強的商業競爭力。隨後,受到植物的吸水、蒸騰行爲及其多級結構的啓發,並結合織物特有的可裁剪性及可縫制性,獲得了一種具有多級結構的3D“植物”,實現了高效的“out-of-plane”光熱蒸發。在一個太陽的強度下,實驗室環境中,這種3D的PCM最高可實現3.37kg/m2/h的海水纯化速度。此外,该光热蒸发器具有一个很强的排盐性能,能够在夜间将白天积聚的盐通过PCM中丰富的毛细通道扩散到水相中,从而保证其长期稳定的使用。在户外实验中,在多云的天气下,7个小时内,每平方米该3D PCM能够纯化约5.39kg海水,且可直接达到WHO饮用标准(各种盐离子去除率保持在99.9%以上),能够满足个成年人一天的饮水需求。更有趣的是,基于3D PCM的光热蒸发器,甚至可以从固体基质(沙子等)中提纯海水或其他不可饮用的水,显示出了其在某些极端条件下的巨大应用潜力。相关工作近期发表在Nano Energy 2019, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104002

  以上工作得到了国家自然科学基金(51803226, 51573203)、中科院前沿科学重点研究项目(QYZDB-SSW-SLH036)、博士后创新人才支持计划(BX20180321)、中国博士后科学基金(2018M630695)及宁波市科技局(2018A610108)等项目的资助。

 

图1 3D树形结构光热蒸发器设计与光热蒸发性能

 

图2 2D/3D PPyP相互切换

 

图3 低价、大面积、高机械稳定性、可洗涤和可缝制的聚吡咯棉布用于海水淡化

  (高分子事业部 倪锋 肖鹏)