近日，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員劉富團(tuán)隊在前期光熱材料多介質(zhì)純化應(yīng)用研究的基礎(chǔ)上(J. Mater. Chem. A2019, 7, 586-593)，發(fā)展了一種低成本的全生物質(zhì)光熱蒸餾器，并實現(xiàn)了從多種含水介質(zhì)中提取純水(如圖1)。基于水稻秸稈生物質(zhì)，通過限氧裂解方法得到多孔碳基光吸收材料，并與細(xì)菌纖維素復(fù)合制得高穩(wěn)定性、高機械強度的光熱蒸發(fā)膜，太陽光吸收達(dá)89.4%。同時利用秸稈生物質(zhì)的空腔結(jié)構(gòu)作為汲水通道和支撐體來構(gòu)筑界面蒸發(fā)系統(tǒng)，水稻秸稈獨特的毛細(xì)內(nèi)腔和壁面多級微納結(jié)構(gòu)賦予該原生通道優(yōu)異的無障礙供水能力。由光熱蒸發(fā)膜和汲水通道組裝成的全生物質(zhì)光熱蒸餾器，用于模擬海水淡化裝置進(jìn)行連續(xù)室外運行，在晴天和多云天氣下日產(chǎn)水量分別為6.4～7.9kgm-2和4.6～5.6kgm-2，且直接達(dá)到飲用標(biāo)準(zhǔn)(鹽離子去除率保持在99.9%以上)。除了適用于海水淡化，該生物質(zhì)光熱蒸餾器還可從灘涂、濕地、沼澤等含水介質(zhì)中穩(wěn)定提取純凈水，展現(xiàn)出良好的普適性。相關(guān)工作發(fā)表在ACS Appl. Mater. Interfaces.2019, DOI: 10.1021/acsami.9b00291，該工作得到阿卜杜拉國王科技大學(xué)教授Peng Wang的合作支持。
除了水溶液，研究團(tuán)隊針對有機溶劑體系的分離與純化，進(jìn)一步研發(fā)了耐溶劑光熱材料，首次系統(tǒng)性研究了太陽能光熱蒸發(fā)技術(shù)在有機溶劑純化中的應(yīng)用。普魯士藍(lán)(PB)是一類典型的Fe2+-C≡N-Fe3+面心立方晶配位聚合物，具有優(yōu)異的水溶液和有機溶劑穩(wěn)定性，晶體內(nèi)Fe2+和Fe3+可發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移賦予PB特定的光熱效應(yīng)，然而結(jié)晶度和晶體空位是影響PB光熱轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵因素。課題組基于單一鐵源，通過慢速結(jié)晶的配位聚合，合成低空位率、高結(jié)晶度的普魯士藍(lán)(PB)納米立方晶體(如圖2)，并通過原位生長將其負(fù)載在同樣耐溶劑的棉纖維(CF)基體上，載量可控且結(jié)合穩(wěn)定。制備的PB@CF復(fù)合纖維材料綜合了光熱轉(zhuǎn)化和溶劑自汲取功能，光吸收達(dá)到93.7%;成功應(yīng)用于水和一系列有機溶劑(介電常數(shù)2.38～37.78)的光熱純化，在保持99.9%去除率的前提下，蒸發(fā)通量從丙酮的29.2 Lm-2h-1到N-甲基吡咯烷酮的0.73Lm-2h-1不等(一個太陽下)，與溶劑蒸發(fā)焓成顯著負(fù)相關(guān)。對部分有機溶劑的純化效率與傳統(tǒng)壓力驅(qū)動的耐有機溶劑納濾膜相當(dāng)。此外對高極性溶劑(DMAC)呈現(xiàn)出穩(wěn)定的光熱蒸發(fā)性能，對DMAC溶劑純化運行3個月仍可保持穩(wěn)定蒸發(fā)速率。該研究結(jié)果有望應(yīng)用于化工和醫(yī)藥領(lǐng)域的溶劑體系分子篩分、溶劑回收、催化劑循環(huán)利用等，相關(guān)工作發(fā)表在J. Mater. Chem. A2019, DOI: 10.1039/C9TA00798A。
以上工作得到國家自然科學(xué)基金委面上項目(51603209)、國家自然科學(xué)基金委與香港研究資助局聯(lián)合項目(5161101025、N-HKU706/16)以及寧波市科技局(2017C110034)等的支持。
太陽能界面光熱轉(zhuǎn)化及多介質(zhì)純化研究取得進(jìn)展
圖為全生物質(zhì)光熱蒸餾器設(shè)計與光熱蒸發(fā)性能
太陽能界面光熱轉(zhuǎn)化及多介質(zhì)純化研究取得進(jìn)展
圖為針對系列有機溶劑純化的高可靠普魯士藍(lán)(PB)光熱轉(zhuǎn)化器件設(shè)計
