中科院上海硅酸盐所朱英杰团队 Small: 具有低水蒸发焓的有序垂直孔道结构仿生气凝胶用于高效太阳能海水淡化和污水净化

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随着全球范围水污染问题日益严重，清洁淡水短缺已经发展成为全球性的危机。太阳能是一种清洁的可持续能源，对太阳能的高效利用是一个热点研究领域，也是发展清洁可持续能源的一个很有前途的发展方向。目前研究的一个热点是利用光热转换材料构建太阳能水蒸发器，以便实现高效太阳能海水淡化和污水净化。但是，存在的难题是水蒸发过程中热量损耗严重、水蒸发效率低以及盐沉积堵塞水输运通道等，这些问题大大降低了太阳能的利用效率和水蒸发效率。目前，研发具有高水蒸发效率和耐盐沉积的高性能太阳能水蒸发器仍然面临挑战。因此，研发可持续的绿色高效海水淡化及污水净化方法是一个重要的研究课题。

气凝胶是一种具有优异性能的功能材料，具有超轻、超高孔隙率和多孔网络结构。然而，大多数气凝胶具有不规则无序的多孔结构，不利于快速水输运。具有有序排列垂直孔道结构的仿生气凝胶，具有吸附性能好、流动阻力小、水输运畅通快速等优势。因此，有序排列垂直孔道结构仿生气凝胶在构建高性能太阳能水蒸发器方面具有良好的应用前景。

最近，中国科学院上海硅酸盐研究所朱英杰研究员团队受到天然莲花茎的长程有序孔道结构和水输运功能的启发，通过冰模板诱导自组装方法，研制出基于羟基磷灰石超长纳米线的有序排列垂直孔道结构和低水蒸发焓的仿生气凝胶，用于高效抗盐沉积太阳能海水淡化和污水净化。在本研究中，有序排列垂直孔道结构仿生气凝胶由羟基磷灰石超长纳米线作为隔热有序多孔骨架、聚多巴胺修饰的二维过渡金属碳化物作为光热材料、聚丙烯酰胺和聚乙烯醇有机聚合物作为降低水蒸发焓的组分和增强力学性能的粘合剂组成。有序排列垂直孔道结构仿生气凝胶的有序蜂窝状多孔结构、单向有序排列的微孔道和纳米线/纳米片/聚合物孔壁使其具有优异的力学性能、快速水输运和高效水蒸发性能。结合其优异的光热转换性能、热量局域、有序排列垂直孔道结构和低水蒸发焓，所设计制备的基于有序排列垂直孔道结构仿生气凝胶的太阳能水蒸发器在太阳光照射条件下表现出高的水蒸发效率、优异的太阳能海水淡化和污水净化性能，还现出优异的抗盐沉积性能，能够实现稳定和持续的海水淡化，可多次循环使用和长时间使用。另外，还对真实海水样品进行了太阳能海水淡化测试，海水淡化后收集得到的纯净水中主要离子的浓度显著降低，可满足世界卫生组织的饮用水标准。本研究工作表明所研制的有序排列垂直孔道结构仿生气凝胶在海水淡化、污水处理和环境保护等多个领域具有良好的应用前景。该工作以“Bioinspired Aerogel with Vertically Ordered Channels and Low Water Evaporation Enthalpy for High-Efficiency Salt-Rejecting Solar Seawater Desalination and Wastewater Purification”为题发表在国际权威期刊Small上。该研究工作得到国家自然科学基金和上海市科委等项目的资助。

图1. 有序排列垂直孔道结构仿生气凝胶和对照样品的光吸收、光热转换和太阳能水蒸发性能。（a）紫外-可见-近红外吸收光谱；（b）在水蒸发过程中，气凝胶在阳光照射下的平均表面温度和红外图像；（c）水的质量随太阳光照射时间的变化；（d）不同气凝胶样品的水蒸发速率和能量效率；（e）有序排列垂直孔道结构仿生气凝胶在太阳光照射下10个循环期间的水蒸发速率；（f）有序排列垂直孔道结构仿生气凝胶的水蒸发速率与文献报道的一些结果的比较。

图2. 有序排列垂直孔道结构仿生气凝胶的太阳能海水淡化和污水净化性能。（a） 抗盐沉积机理示意图；（b）有序排列垂直孔道结构仿生气凝胶在3.5 wt.% 氯化钠水溶液中10小时内的水蒸发速率；（c）有序排列垂直孔道结构仿生气凝胶在不同浓度的氯化钠水溶液中的水蒸发速率；（d）海水样品和太阳能海水淡化后收集的冷凝水中五种主要离子的浓度以及离子去除百分比；（e）含有亚甲基蓝和刚果红的水溶液以及太阳能污水净化后收集的冷凝水的紫外-可见吸收光谱；（f）太阳能污水净化后的水溶液和收集的冷凝水中4种重金属离子的浓度以及离子去除百分比。

相关论文：

Zhong-Yi Wang, Ying-Jie Zhu*, Yu-Qiao Chen, Han-Ping Yu, and Zhi-Chao Xiong*. Bioinspired Aerogel with Vertically Ordered Channels and Low Water Evaporation Enthalpy for High-Efficiency Salt-Rejecting Solar Seawater Desalination and Wastewater Purification. Small, (2023). DOI: https://doi.org/10.1002/smll.202206917

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202206917

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