UT Austin余桂华教授团队在太阳能净水材料领域最新进展：经济高效的生物质混合水凝胶蒸发器

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获得清洁的水资源迫在眉睫。人们呼吁降低净化海水或废水的成本，同时减少能源消耗，并把对环境的负面影响降至最低。由于传统的基于热能或过滤膜的海水淡化消耗大量电力，需要大型且复杂的集中式基础设施，这对于偏远及经济落后的地域而言不是可持续的途径。因此，太阳能海水蒸发被视为可以缓解淡水稀缺的最有前景的环保型技术之一。然而，一个关键的挑战是自然阳光不够强（≤1kW m^-2），无法为高效的水蒸馏系统提供动力，一旦利用昂贵的太阳能聚光器就会增加此项技术的整体成本。近几年来，研究者们通过引入高效光热转换材料，合理设计纳米结构，并将热量集中到少量蒸发器表面附近的水来加速蒸发过程。目前，通过调节聚合物网络与水分子之间的相互作用，水凝胶太阳能蒸发器已可在一个阳光下达到高蒸发速率，但所需的技术成本仍需进一步优化。首先，具有特定分子量和纯度的聚合物需要额外的专业处理，目前仍处于实验室规模。另外，水凝胶太阳能蒸发器中所用诸如聚吡咯和特殊金属氧化物纳米颗粒的高效吸光材料成本颇高。考虑到经济困难的人口，实现具有低成本、高效率且高质量的太阳能水净化系统仍需突破。

图1. HHE用于太阳能水净化的示意图。

美国德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华教授课题组将可再生生物质魔芋葡甘露聚糖（KGM）与原料成本低，易合成且高产率，吸光性能优异的铁基金属有机骨架纳米颗粒（Fe-MOF）引入聚乙烯醇骨架（PVA），设计出了低成本高能效的混合水凝胶蒸发器（HHE）（图1）。天然丰富的KGM具有很好的隔热性能， 不仅有助于促进孔道结构的水传输，而且增强了水凝胶的水合能力，从而进一步降低水的蒸发焓。另外，运用磁体辅助，具有磁响应的Fe-MOF纳米颗粒在水凝胶蒸发器内的空间分布可通过磁铁进行简单便捷的调控，有助于热量集中在蒸发器表面，并将纳米颗粒的使用量降低到已报道的水凝胶蒸发器的三分之一。HHE的整体材料成本较低，每平方米仅需14.9美元，在一个太阳光强下可实现高达每平方米每小时3.2 千克的高水蒸发率。HHE在成本效益方面优于大多数当前的太阳能净水系统，可满足各种区域的人群。借助KGM提供的大量的羟基（-OH），HHE通过形成氢键和螯合有效去除重金属离子和有机染料，进一步提高了净水的水质，在实际应用中优势明显。

图2. 水凝胶蒸发器（HHE）的制备和表征。a）便捷的磁铁辅助制造，以减少所需的材料的总量。b）HHE样品的照片。SEM图像：c）冷冻干燥的HHE的横截面和d）内部多孔结构。

HHE可通过PVA和KGM原位共凝胶作用合成，碳化后的黑色磁性Fe-MOF纳米颗粒被添加至胶内用于高效太阳能吸收。（图2a）。实验制备中，通过使用磁铁将纳米颗粒吸引至蒸发器的一侧可在大大减少所需的纳米颗粒质量的情况下同时保证高效太阳能吸收，从而节约成本（图2b）。扫描电子显微镜（SEM）图像表明，HHE横截面具有垂直管状通道（图2c），内部结构具有很多微孔结构（图2d），它们通过毛细作用力促进了水的输送。这种独特的多孔结构可能有助于调节混合水凝胶内部的水传输，从而在太阳能蒸汽产生过程中更快地供水。

图3. HHE的水输送，热量管理及水蒸发性能。a）从半饱和状态到完全饱和状态的膨胀时间以及HHE的水传输速率。b）在半膨胀和完全膨胀状态下测得的HHE的热导率。c）HHE的UV-vis NIR光谱。d）COMSOL模拟具有均匀分布的纳米颗粒的纯PVA水凝胶和HHE 3的温度分布，显示出在混合水凝胶蒸发器顶部引入KGM和吸收器后明显的热局域效果。e）一个太阳光强下HHE的太阳蒸气产生性能。f）HHE的等效焓和水蒸发效率。g）HHE 3连续72小时的持续时间测试。

作者制备了具有相同Fe-MOF纳米颗粒浓度和不同KGM / PVA重量比的HHE，其中HHE 3中 KGM含量最多。所有HHE均具有出色的太阳吸收特性（约98％，图3c）。通过增加KGM / PVA比值，可以将水传输速率（饱和水含量除以半溶胀时间）增加（图3a）。此外，由于KGM的热导率极小，通过增加KGM / PVA比值，HHE的热导率逐渐减小（图3b）。低热导率可以最大限度地减少热量向底层流失，从而将能量局域在胶的表面用于水蒸发。通过使用COMSOL模拟整个装置的温度分布，发现与吸光纳米颗粒均匀分布的纯PVA水凝胶相比，引入KGM并将吸光纳米颗粒限制在一侧的HHE 3 能够更有效的将热量局域在蒸发表面附近，减少不必要的热量损失。由于KGM能够增强HHE的水合能力并降低水蒸发的能量需求，因此，在一个太阳光强（1 kW m^-2）下，HHE 3表现出最高的蒸发速率（〜3.2 kg m^-2 h^-1）和〜90％的高能量效率（图3e和3f）。在72小时的持续测试中，HHE 3的蒸发速率几乎是恒定的，可用作长期稳定的高效太阳能水蒸发（图3g）。

图4. HHE的水净化性能。a）在广泛的盐度和pH范围内的蒸发性能。b）海水样品蒸发前后的脱盐性能。c）防盐垢的能力。d）重金属离子吸附行为。e）去除水溶性有机染料的能力。f）太阳能蒸馏前后重金属去除性能（包括吸附的贡献）。g）德克萨斯州科罗拉多河水在太阳能蒸馏前后的细菌测试。

最后，作者评估了HHE 的太阳能水净化性能。实验表明，HHE 3可工作于各种极端环境，在盐度范围为0至420（g kg^-1）的合成海水样品和pH范围为0至14的废水表现出稳定的水蒸发速率。（图4a）。该pH范围基本涵盖所有家庭和工业废水条件。通过对海水样品的测试，四种主要离子的浓度显着降低了3至4个数量级，远低于WHO的饮用水标准（图4b）。此外，HHE本身具有优异的防盐垢的自清洁能力，可自行清除表面的盐晶体，对于长期海水淡化应用至关重要（图4c）。HHE同时具有对重金属离子和有机染料的吸附性能。如图4d和4e所示，HHE 3在水样中漂浮两个小时后，水中的金属离子（包括镉和汞等）的浓度降低了4-7个数量级。这是由于重金属离子具有4s/3d（或5s/4d，6s/5d）的空轨道，可接受氧的自由电子对，从而形成螯合键。HHE中含有过量–OH基团，这种螯合作用会更易发生。类似，KGM的-OH基团能够与许多有机染料的叔胺基团的氮原子和磺酸基团的氧原子形成氢键，从而实现对有机染料的吸附。在水蒸发后，重金属离子的浓度进一步降低了2到3个数量级，因此，在利用HHE进行水净化后，重金属离子的浓度共降低了6-9个数量级（图5f）。其中，汞离子由于具有蒸发特性，不可以通过简单蒸馏工艺去除，而HHE的吸附作用可将汞离子的浓度降低7个数量级。在使用HHE进行水净化过程之后，有害细菌也被降低到饮用水试剂盒的检测水平以下（图5g）。HHE的整体净化性能展现了其在重金属离子去除和废水净化过程中的巨大潜力。

文章信息：

Youhong Guo, Hengyi Lu, Fei Zhao, Xingyi Zhou, Wen Shi, Guihua Yu, 'Biomass-Derived Hybrid Hydrogel Evaporators for Cost-Effective Solar Water Purification', Adv. Mater. 1907061 (2020).

DOI: 10.1002/adma.201907061

全文链接： 

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201907061

研究团队简介

余桂华，美国德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学与工程系，机械系终身教授。

余桂华教授课题组的研究重点是新型功能化纳米材料的合理设计和合成，对其化学和物理性质的表征和探索，以及推广其在能源，环境和生命科学领域展现重要的技术应用。目前已在Science, Nature, Nature Reviews Materials, Nature Nanotechnology, Nature Communications, Science Advances, PNAS, Chemical Society Reviews, Accounts of Chemical Research, JACS, Angewandte Chemie, Advanced Materials, Nano Letters, Energy & Environmental Sciences, Chem, Joule, ACS Nano, Nano Today, Mater. Today, 等国际著名刊物上发表论文160余篇，论文引用逾27000次。其发表工作曾被多个 国际媒体亮点报道，其中包括Nature News, Science News, ABC News, Fox News, Forbes, Discover, National Geographic, Science Daily, R&D Magazine, MIT Technology Review, Popular Science, Ars Technica, C&;EN, Gizmag, IEEE Spectrum, MRS Bulletin等。

现任 ACS Materials Letters副主编，Chem (Cell Press), Chemical Society Reviews (RSC), ACS Central Science, Chemistry of Materials (ACS), Nano Research (Springer), Scientific Reports (Nature Publishing), Energy Storage Materials (Elsevier), Science China-Chemistry, Science China-Materials (Science China Press), Batteries & Supercaps (Wiley-VCH), Energy & Environmental Materials (Wiley-VCH), Frontiers in Energy Research, Applied Nanoscience (Springer), Energies (MDPI)等国际期刊编委。

课题组链接

https://yugroup.me.utexas.edu/

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