郑州大学在构建一种高效的水凝胶太阳能蒸发器研究获进展

由于对水的大量消耗和日益严重的污染,淡水短缺是我们今天面临的最严重的全球挑战之一(www.bocun.net)。毫无疑问,从海水和/或废水中可持续净化水的先进技术是迫切需要的。太阳能蒸汽产生技术(SVG)是一种很有前途的技术,它利用无穷无尽的太阳能来提供淡水,受到了极大的关注。然而,SVG工艺,作为一个必要的太阳能驱动的过程来分离水和污染物,是能源密集型的。因此,制造结构合理的光热材料对高效地产生太阳能蒸汽具有重要意义。太阳能蒸馏是一种可持续且有前景的淡水生产技术。然而,蒸汽的产生是一个高能耗的过程,导致在自然阳光下的低产水量。因此,开发既能降低蒸发能耗又能加速太阳能蒸发的高级蒸发器仍然是一个巨大的挑战。

大量研究表明,高效SVG材料具有三个关键因素:(1)具有高光热转换效率(PCE)的宽带光吸收;(2)降低热损失的隔热材料;(3)具有快速输水和蒸发速率的亲水多孔结构。水凝胶,作为一种三维交联聚合物网络且富含水分子的材料,具有可调节的物理和化学性质,已被证明是一个有前景的太阳能水净化平台。将具有高光热转换效率的太阳能吸收材料集成到聚合物网络中,使水凝胶具有收集太阳能用于水分蒸发的能力。更重要的是,由于这些高水化聚合物网络之间的水分子相互作用,可以产生具有独特水态的弱结合水分子,这将进一步导致水活化。

在此,郑州大学许群教授课题组近期在多功能水凝胶的制备和应用方面取得积极进展。论文报道了一种多功能的HxMoO3/PNIPAM水凝胶,以PNIPAM为水合骨架,HxMoO3为太阳能水分蒸发的吸光单元。实验结果表明,所制备的水凝胶具有良好的光热活性。准确地说,所制备的水凝胶基太阳能蒸发器在1 kW m−2辐照下,实现了1.65 kg m−2 h−1的高蒸发率和85.87%的能量转换效率。HxMoO3/PNIPAM水凝胶的光热活性增强可以归因于该分层结构中组成成分的协同作用,改变了水的状态,进一步加速了水分蒸发。HxMoO3/PNIPAM蒸发器显示了其在实际应用中的巨大潜力。相关研究成果以“Building of Multifunctional and Hierarchical HxMoO3/PNIPAM Hydrogel for High efficiency Solar Vapor Generation”为题发表在国际学术期刊《Green Energy & Environment》 (IF=6.395,中科院一区)。郑州大学是该论文的唯一通讯作者单位,论文的第一作者是材料科学与工程学院硕士研究生曹帅和青年教师蒋静云博士,通讯作者是田青勇副教授和许群教授。

论文分别采用二维HxMoO3纳米片、粘土和PNIPAM作为吸光材料、增强材料和亲水聚合物分子链。通过一步聚合法合成了具有多孔结构的多功能HxMoO3/PNIPAM水凝胶,该水凝胶具有良好的光热活性和活化水容量一方面,HxMoO3在制备的水凝胶中均匀分布,有利于形成分层结构,提高了局域表面等离子体共振(LSPR),增强了力学性能。另一方面,HxMoO3/PNIPAM水凝胶与水的相互作用可以激活水相,从而降低SVG的能量需求。总之,基于含HxMoO3水凝胶的太阳能蒸发器装置在1 kW m-2照射下,可产生1.65 kg m-2 h-1的竞争水蒸发率,PCE为85.87%。该工作将具有等离子体共振效应的HxMoO3纳米片引入水凝胶体系,不仅能有效的增加水凝胶的机械性能,更赋予水凝胶良好的光热性能。也进一步证明了水分子在亲水的聚合物体系中不同于在体相水中的独特动力学特征。这种新型水凝胶具有良好的机械性能和光热活性,可应用于海水淡化和医疗等领域。

综上所述,该团队已经成功地研制出了一种能够实现高效太阳能蒸汽生成的多功能水凝胶。采用原位固化法制备了HxMoO3作为光热转换效率高的宽带光吸收材料的PNIPAM。实验表明,在制备的水凝胶中HxMoO3的均匀分布改善了集成材料体系的LSPR, HxMoO3/PNIPAM水凝胶与水的相互作用可以导致水相变化的结果,从而降低水蒸发的能量需求。制备的含hxmoo3的水凝胶在1 kW m-2辐照下,水分蒸发速率可达1.65 kg m-2 h-1,能量效率可达85.87%。因此,本研究为新型多功能水凝胶的制备提供了一种普遍的策略,可以预见,这种新型水凝胶体系将在解决日益严重的淡水资源短缺问题中发挥关键作用。

全文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2468025720302478#!

主营产品:电子拉力试验机,液压万能试验机,高低温试验箱,恒温恒湿试验箱,冷热冲击试验箱,盐雾试验箱,步入式恒温恒湿试验箱,非标试验箱定做