港理工曾远康团队《Nano Energy》：采用MWCNT-HfTe2范德华异质结构产生高温太阳能蒸汽低成本灭菌

点击蓝字关注我们

在对医疗设备及手术器材进行传统的蒸汽灭菌时，需要昂贵的器材和大量的电力，这限制了传统蒸汽灭菌在许多设备有限和电力不稳地区地使用，如发展中国家，并使患者容易术后感染。鉴于此，科学家们创造性地提出了采用太阳能吸收器利用丰富的太阳辐照产生蒸汽对医疗器具进行杀菌。目前，开发高效的太阳能吸收器快速加热产生蒸汽，低成本且环保地灭菌是一项具有挑战性的工作。
香港理工大学曾远康团队在Nano Energy期刊上发表了题为“High-temperature Solar Steam Generation by MWCNT-HfTe₂ van der Waals Heterostructure for Low-cost Sterilization”的文章（DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.106916）。为了快速加热产生太阳能蒸汽，该课题组设计了一维多壁碳纳米管MWCNT和二维金属HfTe₂ 的范德华异质结构。将其负载在Cu 泡沫基底上时，MWCNT-HfTe₂范德华异质结构能够实现宽带太阳能吸收，在一个阳光照射下蒸发效率高达 87.43%，蒸汽温度在 20 min内能升高至 132°C。作为灭菌的概念验证，MWCNT-HfTe₂@Cu 泡沫太阳能吸收器使大肠杆菌减少了99.04%，超过了世界卫生组织的要求。在运营成本上，MWCNT-HfTe₂@Cu 泡沫太阳能吸收器简便的制造工艺和简约的设计使灭菌成本大幅降低至0.21 U.S. Dollar L^-1。在碳排放上，如果替代 10 L容量的传统高压灭菌器，每年将减少 2.45 t二氧化碳排放量。因此，基于 MWCNT-HfTe₂@Cu 泡沫的医用灭菌系统具有商业化的潜力。
 
图1 (a)MWCNT-HfTe₂异质结构的制备示意图；(b)泡沫铜的强碱处理；(c)碱处理后泡沫铜的接触角改善；(d)PU海绵的多巴胺处理；(e)处理过的Cu泡沫、MWCNT-HfTe₂@Cu泡沫和径向切片纤维素滤纸的图像；(f)MWCNT-HfTe₂@Cu泡沫太阳能吸收器的制备；(g)MWCNT-HfTe₂@Cu泡沫太阳能吸收器放置在玻璃瓶上蒸发水；(h)MWCNT-HfTe₂异质结构的拉曼光谱；(i)碱处理的铜泡沫、沉积在铜泡沫上的 MWCNT 和 MWCNT-HfTe₂的 UV-Vis-NIR 吸收光谱。 
图2 (a)MWCNT-HfTe₂@Cu泡沫的SEM图，展示了Cu泡沫的微孔结构；(b)SEM图表明材料在Cu泡沫上沉积；(c)EDS元素分布；(d)元素组成。 
图 3 (a)-(b)MWCNT-HfTe₂异质结构的 TEM 图。插入为HRTEM 图像。红色区域代表 vdW 异质结构；(c)异质结构的SAED图；(d)异质结构的AFM图像；(e)MWCNT和MWCNT-HfTe₂异质结构的 XRD图谱；(f)AFM 图像中标记线的高度轮廓。

图4 不同太阳能吸收器在同一光照下去离子水随时间的蒸发质量损失(a)；(b)MWCNT-HfTe₂@Cu泡沫在各种太阳辐照度下；(c)不同太阳辐照度下对应的蒸发率和蒸发效率；(d)蒸发率的干湿循环。每个周期对应一个阳光照射1 小时。冷却时间的确定(插图)；(e)一个阳光照射下的表面温度；(f)MWCNT-HfTe₂@Cu泡沫结构在各种太阳辐照度下产生的蒸汽温度；(g)光源的连续开启和关闭循环；(h) (i)–(ii) 在一个阳光照射下照射 60 分钟，DI水蒸发和(iii)–(iv)MWCNT-HfTe₂@Cu泡沫结构的俯视和侧视IR相机图。 
图5 (a)灭菌室示意图；(b)灭菌实验的实际装置；(c)灭菌实验后的去除效率 (LRE)。水平黑色虚线为WHO医疗设备无菌标准；(d) 琼脂平板显示灭菌前后的大肠杆菌。

作者简介

向上滑动阅览

曾远康，现为香港理工大学应用物理系副教授，香江学者导师，博士生导师。2020年被斯坦福大学评为全球光电子学和光子学领域top 2% 的科学家。已在ACS Photonics，Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed.， ACS Nano，Adv. Funct. Mater.，Nano Energy等国际期刊上发表SCI论文169篇，h-index=41。主要从事光学材料、光子科学、先进激光器和光电器件的研究。领先开发了数种用于激光光学的新颖二维材料，涉及的应用包括超快激光器，光电探测器，太阳能电池，光限幅及其他众多光学器件。

原文链接

http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.106916

相关进展

化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至[e-mail]，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。