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苏黎世联邦理工学院王京教授和瑞士材料科学联邦实验室赵善宇博士团队 AS:植物仿生制备太阳能被动气凝胶热蒸腾泵用于可挥发有机物降解
受水生植物中太阳能光驱动氧气传输的启发,苏黎世联邦理工学院(ETHZ)王京教授和瑞士材料科学联邦实验室(Empa)赵善宇博士团队通过仿生水生植物的热蒸腾效应开发了一种新型可持续光驱动气凝胶泵,其表面层含有黑色氧化锰 (MnO2) 作为光吸收剂(图1)。泵送空气的流动强度由纳米纤维素 (NFC)、尿素改性壳聚糖 (UMCh) 和聚甲基倍半硅氧烷 (PMSQ) 气凝胶的孔隙特性控制(图2)。由 MnO2 驱动的光热转化诱导了挥发性有机污染物的被动流动和催化降解。与基准的 Knudsen 泵系统相比,所有气凝胶都表现出卓越的泵送能力(图3)。无机 PMSQ 气凝胶在输入功率和光热降解活性方面提供了更大的灵活性(图4)。因此,这种气凝胶光驱动的多功能气泵系统为气体传感设备、空气质量测绘和空气质量控制系统提供了广泛的未来应用。
该工作是团队近期关于多孔气凝胶材料热蒸腾效应相关研究的最新进展之一。1909 年,Knudsen 首次使用长玻璃管毛细管探索了热蒸腾过程。而在多孔材料中产生有效热蒸腾的一般要求是 (i) 保持的温度梯度不会因穿过多孔材料的强热传输而显着损害,(ii) 通过开孔的有效气体传导,和 (iii) ) 气体分子的平均自由程与孔弦长度的适当比率(克努森数 Kn范围为 1-10)(图3)。气凝胶是制造热蒸腾泵(KP)的理想材料候选者,因为它们具有低密度、高孔隙率和超低热导率。对于此类材料,形成热梯度传统上通过电阻加热器进行额外功率输入。而在自然界中,水生植物的热蒸腾是由太阳能被动诱导的,太阳能是最环保的可持续电力输入之一。通过模仿这种自然系统,团队提出了由各种气凝胶材料组成的 KP 装置,这些材料在孔结构、可达到的孔径和操作温度方面具有互补的特性。使用光(例如太阳能)作为唯一的能量输入,可持续的被动质量流由气凝胶的不同结构控制。因此,在空气通过双层气凝胶膜传输的过程中,有机污染物的去除通过吸附到气凝胶多孔结构和 MnO2表面活性位点上,然后进行光热催化来促进降解(图4)。在过去的几年中,团队开发探索了气凝胶基热蒸腾泵原型(ACS AMI, 2015, 7 (33), 18803-18814),并采用3D打印技术实现了超薄双层气凝胶泵的组装(Nature, 2020, 584 (7821), 387-392),为推进太阳能被动气凝胶多功能泵送系统进行研究探索,为实现清洁能源和碳中和提供新的途径。
原文链接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202105819
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