苏黎世联邦理工学院王京教授和瑞士材料科学联邦实验室赵善宇博士团队 AS：植物仿生制备太阳能被动气凝胶热蒸腾泵用于可挥发有机物降解

2022-02-28 来源：高分子科技

图1. MnO₂-PMSQ气凝胶对甲苯降解性能。A) 甲苯浓度随辐照时间的变化。B) VOC 降解效率对比。C) 太阳能驱动的热蒸腾及光热催化 VOC 降解示意图（左图）， MnO₂-PMSQ 和 PMSQ 气凝胶界面的 SEM-EDX 图像（右上图），及 MnO₂ 纳米颗粒的光热转化示意图（右下图）。

受水生植物中太阳能光驱动氧气传输的启发，苏黎世联邦理工学院(ETHZ)王京教授和瑞士材料科学联邦实验室(Empa)赵善宇博士团队通过仿生水生植物的热蒸腾效应开发了一种新型可持续光驱动气凝胶泵，其表面层含有黑色氧化锰 (MnO₂) 作为光吸收剂（图1）。泵送空气的流动强度由纳米纤维素 (NFC)、尿素改性壳聚糖 (UMCh) 和聚甲基倍半硅氧烷 (PMSQ) 气凝胶的孔隙特性控制（图2）。由 MnO₂ 驱动的光热转化诱导了挥发性有机污染物的被动流动和催化降解。与基准的 Knudsen 泵系统相比，所有气凝胶都表现出卓越的泵送能力（图3）。无机 PMSQ 气凝胶在输入功率和光热降解活性方面提供了更大的灵活性（图4）。因此，这种气凝胶光驱动的多功能气泵系统为气体传感设备、空气质量测绘和空气质量控制系统提供了广泛的未来应用。

图 2 A) 聚甲基倍半硅氧烷 (PMSQ)-MnO₂ 双层气凝胶的照片。 B) MnO₂ 纳米薄片的SEM 和 C) HRTEM 图像以及嵌入 PMSQ 中的 MnO₂ 的 SEAD 衍射图。嵌入 D) 纳米纤维素 (NFC)，E) 尿素改性壳聚糖 (UMCh) 和 F) PMSQ 中的 MnO₂ 纳米薄片的 TEM。基于 X 射线断层扫描的 3D 体积渲染低密度气凝胶基质（红色），及MnO₂ 纳米薄片（灰色）对应于G）NFC，H）UMCh和 I）PMSQ 气凝胶基体。

图 3 孔径和结构对泵送性能的影响。A) 纳米纤维素(NFC)、B) 脲基改性壳聚糖 (UMCh) 和 C) 聚甲基倍半硅氧烷 (PMSQ) 纳米微粒气凝胶结构的热蒸腾作用。D) Kn 等值线图下孔径和温度在 1 bar 气压对应的函数。E) 在 20 cm (97 mW?cm²) 和 5 cm (222 mW?cm², 仅 PMSQ适用) 照射后，泵送性能与质量和体积流量的关系。F) 流速与功率输入的关系以及与现有技术的比较。

图4 双功能气凝胶膜的污染物降解。A) 多孔气凝胶的吸附能力和 B) 甲苯的降解效率及稳态温度。C) 含有MnO₂ 的 NFC、UMCh 和 PMSQ 样品的 X 射线衍射 (XRD) 图。D) 原始气凝胶材料的热重分析（TG 和 DTG）。E) 吸收层 (50 wt.% MnO2) 的 XPS 光谱：MnO2 和嵌入气凝胶中的 MnO₂ 的 Mn2_p3/2电子能量叠加，以及半峰全宽列表。 F) PMSQ、UMCh 和 NFC 气凝胶的红外光谱。

该工作是团队近期关于多孔气凝胶材料热蒸腾效应相关研究的最新进展之一。1909 年，Knudsen 首次使用长玻璃管毛细管探索了热蒸腾过程。而在多孔材料中产生有效热蒸腾的一般要求是 (i) 保持的温度梯度不会因穿过多孔材料的强热传输而显着损害，(ii) 通过开孔的有效气体传导，和 (iii) ) 气体分子的平均自由程与孔弦长度的适当比率（克努森数 Kn范围为 1-10）（图3）。气凝胶是制造热蒸腾泵（KP）的理想材料候选者，因为它们具有低密度、高孔隙率和超低热导率。对于此类材料，形成热梯度传统上通过电阻加热器进行额外功率输入。而在自然界中，水生植物的热蒸腾是由太阳能被动诱导的，太阳能是最环保的可持续电力输入之一。通过模仿这种自然系统，团队提出了由各种气凝胶材料组成的 KP 装置，这些材料在孔结构、可达到的孔径和操作温度方面具有互补的特性。使用光（例如太阳能）作为唯一的能量输入，可持续的被动质量流由气凝胶的不同结构控制。因此，在空气通过双层气凝胶膜传输的过程中，有机污染物的去除通过吸附到气凝胶多孔结构和 MnO₂表面活性位点上，然后进行光热催化来促进降解（图4）。在过去的几年中，团队开发探索了气凝胶基热蒸腾泵原型（ACS AMI, 2015, 7 (33), 18803-18814），并采用3D打印技术实现了超薄双层气凝胶泵的组装（Nature, 2020, 584 (7821), 387-392），为推进太阳能被动气凝胶多功能泵送系统进行研究探索，为实现清洁能源和碳中和提供新的途径。

该工作以''''Biomimetic Light-Driven Aerogel Passive Pump for Volatile Organic Pollutant Removal''''为题发表在《Advanced Science》上。该文章通讯作者为ETHZ王京教授和Empa高级研究员赵善宇博士，Wim J. Malfait博士。ETHZ Sarka Drdova博士和Empa赵善宇博士为共同第一作者。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202105819

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