离散的夹层浸润性结构用于光热净水|孙晓明, 王健君, 张新平
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近日, 北京化工大学孙晓明教授课题组、中国科学院化学研究所王健君教授课题组和北京工业大学张新平教授课题组合作报道了一种具有离散的夹层浸润性结构碳化钨纳米阵列薄膜, 用于促进非聚光条件下太阳光热驱动的海水与重金属离子污水的净化。在普通光照条件下(AM 1.5), 该薄膜实现了高达90.8%的光-蒸汽转化效率(近似无对流、环境水蒸气饱和条件下的蒸发速率约为1.45 kg m−2 h−1), 由人造海水/重金属离子污水生产出符合饮用水标准的蒸馏水的速率约为1 kg m−2 h−1, 经1 h × 100 次循环使用性能稳定。北京化工大学博士研究生韩娜娜为该论文第一作者, 相关研究发表于Science Bulletin 2019年第6期。
太阳能驱动的除盐净水技术是缓解全球性水资源危机的重要途径。然而, 在低成本非聚光条件下高效、稳定、可重复使用的光热蒸发除盐材料并不多见。该工作首次报道了碳化钨纳米阵列薄膜的光热性能: 几乎在整个太阳光谱(220–2200 nm)的吸收都在97.5%以上, 且光热性能稳定。这归功于碳化钨纳米材料自身的局域表面等离子体共振效应(LSPR)、抗光照特性和纳米阵列结构的多级减反作用。该工作预示着低成本、高强度、化学稳定、无毒、抗激光照射、具有表面等离子体共振效应的碳化钨纳米材料在光热领域具有巨大的开发潜力。
在此基础上,该工作首次证明了离散的夹层浸润性结构对光热蒸发的促进作用。表观疏水、微观亲疏水相间的上表层通过延长亲疏水界线、降低表面水膜对光的反射来提高光热蒸发性能; 表观疏水、微观亲疏水相间的下表层通过在蒸发薄膜与大水体之间形成气垫来缓解热耗散, 从而提高蒸发性能; 中间的亲水层利用毛细力将水吸收到薄膜中, 用来实现局部加热和蒸发。
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Nana Han, Kai Liu, Xinping Zhang, Meng Wang, Pan Du, Zhaohui Huang, Daojin Zhou, Qian Zhang, Tengfei Gao, Yin Jia, Liang Luo, Jianjun Wang, Xiaoming Sun. Highly efficient and stable solar-powereddesalination by tungsten carbide nanoarray film with sandwich wettability. Science Bulletin, 2019, 64: 391-399
https://doi.org/10.1016/j.scib.2019.03.008
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