北航衡利苹研究员课题组 Adv. Funct. Mater.：仿生可持续高效太阳能蒸发器件实现污水处理

2023-09-07 来源：高分子科技

在双碳背景下，作为一种环境友好、价格低廉的缓解水危机的方法，太阳能蒸发器件引起了广泛的关注和研究。然而，目前报道的高效太阳能蒸发器件主要是基于石油化工材料制备的，采用可再生材料构筑的太阳能蒸发器件往往具有较低的蒸发性能。因此，采用可持续的再生材料开发高效太阳能蒸发器件十分关键。

近日，北京航空航天大学衡利苹研究员、江雷院士团队通过模仿玉米芯髓芯层的结构和功能基团，直接交联可再生的羟丙基纤维素制备了多孔纤维素水凝胶。通过在玉米芯髓芯层和纤维素水凝胶表面涂覆羟基化碳纳米管，构筑了玉米芯髓芯层/碳纳米管（CP/CNTs）和纤维素水凝胶/碳纳米管（CH/CNTs）太阳能蒸发器件（图1），表现出了优异的蒸发性能和污水处理能力。从更广阔的角度来看，这项研究采用的仿生策略为设计开发可再生的高效太阳能蒸发器件提供了新思路。

图1. CP/CNTs蒸发器件的示意图。

玉米芯髓芯层呈现多级多孔结构，孔径范围为0.4-200 μm，孔隙率为88.63%。同时，表面富含亲水性的-OH基团，赋予玉米芯髓芯层强的吸水性能和超亲水性（图2）。将玉米芯髓芯层作为水传输层构筑太阳能蒸发器件，在蒸发过程中，上述特性确保了水的快速传输。制备的CP/CNTs蒸发器件表现出了优异的光热转换性能和蒸发性能，在1个太阳光照下，其蒸发速率为3.06 kg m^-2 h^-1，优于目前报道的基于天然材料制备的太阳能蒸发器件。其高蒸发速率得益于低的水蒸发焓（880.5 ± 42.1 J g^-1）（图3）。

图2. 玉米芯髓芯层和CP/CNTs蒸发器件的表征。

图3. CP/CNTs蒸发器件的光热性能和蒸发性能。

由于玉米芯髓芯层尺寸上的先天不足，限制了CP/CNTs蒸发器件的大规模制备。因此，为了获得高效可持续的太阳能蒸发器件，本文采用可再生的羟丙基纤维素构筑纤维素水凝胶来模仿玉米芯髓芯层的结构和功能基团。如图4所示，制备的纤维素水凝胶具有多孔结构（孔径范围：10-200 μm，孔隙率：85.6%）和超亲水性。构筑的CH/CNTs蒸发器件的蒸发速率为2.56 kg m^-2 h^-1，蒸发焓为1280.7 ± 57.8 J g^-¹（图5）。

图4. 纤维素水凝胶的制备和CH/CNTs蒸发器件的表征。

图5. CH/CNTs蒸发器件的光热性能和蒸发性能。

此外，通过模拟1个太阳光照下，纯水、玉米芯髓芯层和纤维素水凝胶中水分子的蒸发过程，他们发现水分子在玉米芯髓芯层和纤维素水凝胶中具有更快的蒸发速率（图6）。由于水分子/玉米芯髓芯层、水分子/纤维素水凝胶之间强的氢键相互作用，减弱了玉米芯髓芯层和纤维素水凝胶中水分子之间的氢键作用，使其表现出低的水蒸发焓。

图6. 纯水、玉米芯髓芯层和纤维素水凝胶中水蒸发过程的分子动力学模拟。

CP/CNTs和CH/CNTs蒸发器件表现出了优异的脱盐（海水淡化）能力、染料污水处理能力和油水分离性能（图7）。此外，在太阳光照下，CP/CNTs和CH/CNTs蒸发器件还具有良好的抗菌性能。

图7. CP/CNTs和CH/CNTs蒸发器件的污水处理性能（海水、重金属离子、染料污水和油水乳液）和抗菌性能。

相关工作以“Bioinspired, Sustainable, High-Efficiency Solar Evaporators for Sewage Purification”为题发表于Advanced Functional Materials，通讯作者为北京航空航天大学衡利苹研究员，第一作者为王祖彬博士（现为郑州大学青年教师）。该工作受到国家自然科学基金委的支持。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202306806

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（责任编辑：xu）

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