解决淡水资源短缺问题因其对生命的重要性而备受关注,太阳能光热界面水蒸发 (ISSG)是缓解全球水资源短缺中最具有前景的技术,是有效提升水蒸发效率的技术。然而,开发可持续的热管理、高耐盐析和出色机械强度的ISSG装置以实现长期稳定的海水淡化仍然存在挑战。鉴于此,北京林业大学马明国教授团队开发了一种具有优异机械性能的 3D Janus MXene/CNFs/luffa (JMCL) 气凝胶可生物降解的太阳能蒸汽蒸发器,成功实现了 1.40 kg m-2 h-1的水蒸发速率和高达91.20%的能量效率该JMCL气凝胶在单个模块中集成了快速水传输、良好热管理和高效光热转换的多功能性,实现了高效持续的海水淡化。3D Janus 结构赋予 JMCL 气凝胶相反的润湿性,可实现快速产生局域热和自漂浮的特性。JMCL气凝胶的机械强度是MXene/CNFs气凝胶的437倍。实现了 24 小时运行期间出色的耐盐性和长达28 天的长期太阳能界面蒸汽产生。具有 3D Janus 结构的多功能 JMCL 气凝胶为开发耐用且环保的生物聚合物基蒸汽发生器提供了新的思路

《JCIS》北林马明国:高效脱盐能力气凝胶用于太阳能驱动界面水蒸发

相关成果以“3D Janus structure MXene/cellulose nanofibers/luffa aerogels with superb mechanical strength and high-efficiency desalination for solar-driven interfacial evaporation”为题发表在国际期刊Journal of Colloid And Interface Science(JCR一区,中科院一区)。论文的第一作者为北京林业大学材料科学与技术学院博士研究生汪培林,通讯作者为北京林业大学马明国教授。该研究工作得到了国家重点研发计划项目和北京林业大学杰出青年人才培养计划项目的资助。

研究结论
引入瓜络作为骨架并通过冷冻干燥构建Janus结构的MXene/纤维素纳米纤维 (CNF) 气凝胶(JMCL),制备了具有优异机械性能的生物质 ISSG 装置。JMCL 气凝胶在1 kW·m-2太阳光照下的水蒸发速率为 1.40 kg m-2 h-1,能量转换效率为 91.20%。此外,通过24小时的脱盐验证了其优异的耐盐性,并通过28天的运行证明了稳定的蒸发速率和蒸发效率。通过最小化热损失来实现热局域化效果,并且由于盐仅在蒸发器边缘结晶而实现长期使用稳定性。通过引入丝瓜络作为三维(3D)结构骨架,JMCL气凝胶的机械强度提高了437倍,满足了基于生物质的太阳能蒸发器在海水淡化中的实际应用。所制备的环境友好型纳米纤维素气凝胶,具有高机械强度和Janus结构,在太阳能界面水蒸发、污水净化、杀菌和发电方面具有巨大的应用潜力。

研究数据

《JCIS》北林马明国:高效脱盐能力气凝胶用于太阳能驱动界面水蒸发图1. (a) JMCL太阳能界面水蒸汽产生过程示意图。(b) 显示Ti3C2TXMXene纳米片合成过程的示意图。(c) JMCL气凝胶的制造过程示意图。(d) CNF和MXen的TEM图像。(e) JMC和JMCL气凝胶的应力-应变曲线。(f) JMCL 气凝胶漂浮在水面上并在模拟阳光照射下产生水蒸气的照片图像。

《JCIS》北林马明国:高效脱盐能力气凝胶用于太阳能驱动界面水蒸发图2. (a) JMC气凝胶和JMCL气凝胶的应力-应变曲线,应变为20%。(b) JMCL气凝胶的紫外-可见-近红外吸收光谱。

《JCIS》北林马明国:高效脱盐能力气凝胶用于太阳能驱动界面水蒸发图3. (a) JMCL、MCL气凝胶和水在阳光照射下随时间产生的水蒸气。(b) JMCL、MCL气凝胶和水在阳光照射下的蒸发速率和蒸发效率。(c) 太阳能脱盐后收集水的 Na+、K+、Mg2+ 和 Ca2+ 浓度的变化值。(d) 太阳能蒸汽产生系统示意图。(e) JMCL气凝胶在光照下用于太阳能海水淡化的照片。(f) JMCL气凝胶在 2 kW·m-2下快速产生水蒸汽的照片。(g) 在 1 kW·m-2光照下 24 小时海水淡化后JMCL上表面盐分积累的照片。

《JCIS》北林马明国:高效脱盐能力气凝胶用于太阳能驱动界面水蒸发图4. (a) JMCL气凝胶连续24 小时在 1 kW·m-2下海水淡化时的表面温度曲线。(b) JMCL气凝胶在 1 kW·m-2 下连续运行24 小时的蒸发率。(c) JMCL气凝胶在1 kW·m-2下连续海水淡化第1小时和第24小时的蒸发速率和蒸发效率。(d) JMCL气凝胶在长期海水淡化过程中的平均表面温度曲线。(e, f) JMCL气凝胶在1 kW·m-2太阳光下长期太阳能界面水蒸发过程中的蒸发速率和蒸发效率。

来源:高分子科学前沿

原文始发于微信公众号(艾邦气凝胶论坛):《JCIS》北林马明国:高效脱盐能力气凝胶用于太阳能驱动界面水蒸发

作者 li, meiyong