Färskvattenbrist är en allt allvarligare utmaning för samhällsutvecklingen. Det rapporteras att 29 % av världens befolkning saknar rent dricksvatten, och efterfrågan på rent vatten ökar fortfarande på grund av befolkningstillväxt och miljöfrågor. Rent vatten i samband med sanitet är särskilt viktigt i samband med det nuvarande utbrottet av coronavirussjukdomen (lunginflammation i neocoronavirus). Soldriven vattenavdunstning anses vara en av de mest lovande teknikerna för att producera rent vatten från havsvatten och avloppsvatten med solljus som enda energitillförsel. Tekniken är starkt beroende av solabsorbenter, som fungerar som förångare för att omvandla solenergi till värme för att producera ånga. För att uppnå höga vattenavdunstningshastigheter och solvärmekonverteringseffektivitet bör det ideala materialet ha ett brett spektrum av absorbans för att effektivt utnyttja en stor del av solspektrumet, låg värmeledningsförmåga för att undertrycka värmeförlust och tredimensionella (3D) porösa kanaler för effektiv vattentransport. Hittills har forskare utvecklat olika fototermiska material baserade på kol (t.ex. grafen eller kolnanorör), polymerer, metaller och metalloxider och deras hybrider, etc.
Forskare har arbetat hårt för att utforska och göra många genombrott under de senaste åren, så låt oss lära oss från flera aktuella publikationer om forskningsframstegen inom fototermisk generering av rent vatten under de senaste åren.
- Nature Communications: Växtblad inspirerar soldriven, högeffektiv vattenrenare
Bladen på naturliga kärlväxter är beroende av skillnader i osmotiskt tryck, transpiration och utsöndring för att producera massor av rent vatten, drivet av solljus. Inspirerade av detta har forskare i Chun Lis grupp vid Qinghua University rapporterat en solljusdriven renare för effektiv vattenrening och produktion. Denna solljusdrivna renare har en negativ temperaturkänslig poly(N-isopropylakrylamid)hydrogel (PN) förankrad på en superhydrofil melaminskumstomme och belagd med ett PNIPAm-modifierat grafen (PG) filtermembran på utsidan. Molekylära dynamiksimuleringar och experimentella resultat visade att den superhydrofila naturen hos den relativt styva melaminstommen avsevärt accelererade svällnings-/avsvällningshastigheten för PNPG-F-renaren. Under samma solljusintensitetsbestrålning gav denna rationellt konstruerade struktur 4.2 kg/m2/h uppsamling och > 99 % jonborttagning för en enda PNPG-F från en saltlösning genom de synergistiska effekterna av avdunstning och dropptillsats. Författaren ser stora potentiella tillämpningar för detta mycket effektiva solljusdrivna system i olika vattenreningsapplikationer. Studien publicerades som en artikel med titeln ”Plant leaves inspired sunlight-driven purifier for high-efficiency clean water production” i undertidskriften Nature communications.
- Vetenskapliga framsteg: Mycket hydratiserbara polymernätverk av ljusabsorberande hydrogeler för solvattenrening
Solvattenindunstning för vattenrening är en lovande teknik för sötvattenproduktion. Generering av solånga är dock energikrävande, vilket resulterar i låg vattenproduktion under naturligt dagsljus. Därför finns det ett stort behov av att utveckla nya material som kan minska energibehovet för vattenavdunstning och påskynda solvattenrening. Professor Guihua Yus grupp i Austin, Texas, USA, rapporterade en höghydratiserad ljusabsorberande hydrogel (h-LAH) som består av polyvinylalkohol och kitosan som hydratiseringsryggraden och polypyrrol som ljusabsorbent, som kan använda mindre energi (< 50 % av vattenvolymen) för att förånga vatten. Det visades att en ökning av hydratiseringskapaciteten hos h-LAH kan förändra vattnets tillstånd och delvis aktivera vatten, och därigenom underlätta vattenavdunstning. h-LAH ökade produktionen av solånga till en rekordhastighet på ~3.6 kg/m2/h på 1 sol. h-LAH-baserad solvattenavdunstning uppvisade också långvarig hållbarhet och antifouling-egenskaper mot komplexa joniska föroreningar. Forskningen publicerades i en artikel med titeln "Plant leaves inspired sunlight-driven purifier for high-efficency clean water production" i undertidskriften Science Advances.
- Angew: COF-material med superhydrofilicitet och ljusabsorption med bred våglängd för fototermisk vattenavdunstning
Den inneboende hydrofobiciteten och begränsade ljusabsorptionen av porösa organiska polymerer, särskilt i den nära-infraröda (NIR)-regionen, är två flaskhalsar som hindrar deras tillämpning vid solånggenerering (SSG). Forskare i Xiaoli Yans grupp vid Jilin University har utvecklat ett kovalent organiskt ramverk (COF) baserat på 1,4,5,8 tetrakis(fenylamino)antracen-9,10-dion (TPAD) (TPAD-COF), som kännetecknas av superhydrofilicitet och bred ljusabsorption som täcker SSG från hela den UV-visbara NIR-regionen. TPAD-COF, som ett effektivt fototermiskt omvandlingsmaterial utan några tillsatser, uppvisar utmärkt vattenavdunstning på 1.42 kg/m2/h och uppnår en hög energiomvandlingseffektivitet på 94 % under en solintensiv bestrålning. En ytterligare förlängning av det TPAD-baserade COF-ljusabsorptionsintervallet uppnåddes genom postsyntetisk modifiering av kelaterade BF2-molekyler. Systematiska kontrollexperiment och analys bekräftar att det fototermiska omvandlingsmaterialets hydrofilicitet spelar en mer dominerande roll i de nuvarande TPAD-baserade COF som används för fototermisk vattenavdunstning. Forskningsarbetet, med titeln "Superhydrophilic2D Covalent Organic Frameworks as Broadband Absorbers for Efficient Solar Steam Generation", publicerades i den internationella topptidskriften Angewise. Verket publicerades i den främsta internationella tidskriften Angew. Chem. Int. Ed.
- JACS: Hydrofil-hydrofob dubbelregion COF/grafenhydrogel för fototermisk vattenavdunstning
Solvattenförångning är en hållbar vattenbehandlingsteknik som kan hjälpa till att lindra den globala vattenbristen. Denna teknik står dock inför stora utmaningar på grund av den höga energiförbrukningen och låga förångningshastigheten för vattenavdunstning. Gruppen av prof. Arne Thomas vid tekniska universitetet i Berlin, Tyskland, rapporterar en kovalent organisk ram (COF)/grafen dual-region hydrogel som innehåller både hydrofila och hydrofoba regioner i ett material genom en enkel in situ tillväxtstrategi. Den hydrofila COF täcker en del av den hydrofoba grafenregionen. Genom exakt kontroll av de två vätningsområdena visar hybridhydrogelen effektiv ljusskörd, inställbar vätbarhet, optimerat vatteninnehåll och minskat energibehov för vattenavdunstning. Som solabsorbator uppnår hydrogelen med dubbla regioner en ånggenereringshastighet på upp till 3.69 kg/m2/h för 1 solinstrålning (1kw/m2), vilket är jämförbart med andra avancerade material. Dessutom kan denna hydrogelförångare användas för att producera dricksvatten från havsvatten och avloppsvatten, vilket visar potentialen för vattenbehandling. Forskningsarbetet publicerades i tidskriften JACS som "A Covalent Organic Framework/Graphene Dual-Region Hydrogel for Enhanced Solar-Driven Water Generation", JACS, en internationell topptidskrift.
- Vetenskapliga framsteg: Näckrosbladstrukturinspirerad högeffektiv fototermisk vattenförångare
Under de senaste åren har gränssnittssolånggenerering visat stor potential för att uppnå hög energiomvandlingseffektivitet för avsaltning och avloppsvattenrening. Höga avdunstningshastigheter kan dock inte upprätthållas på grund av den till synes oundvikliga ansamlingen av nedsmutsning eller salt på solabsorbatorn. Nedbrytningen påskyndas när koncentrationen av lösta ämnen ökar. För att ta itu med detta problem, designade Prof. Jia Zhus grupp vid Nanjing University, inspirerad av strukturen hos näckrosblad, en flerstegsstruktur (Water-lily-inspired Hierarchical Structure (WHS) photothermal-vapor conversion device, som kan uppnå 80 % fototermisk konverteringseffektivitet när man behandlar 10 wt% av högkoncentrerat saltvatten och 30% av högkoncentrerat saltvatten. den fototermiska omvandlingseffektiviteten minskar inte nämnvärt under behandlingen av högkoncentrerad saltlösning och avloppsvatten tills förångningen är klar (dvs. "noll urladdning"), och ytan förblir ren i Science Advance under titeln "A Water-lily-inspired Hierarchical Design for Stable and Efficient Solar Evaporation of High Salinity Brine".
- Nanoenergi: Molybdendisulfid för fototermisk vattenavdunstning
Forskare i Lifeng Wans grupp vid Deakin Universitys Institute for Frontier Materials har utvecklat en serie heterostrukturer av övergångsmetalldisulfid och kväverika nitrid för solvattenavdunstning via partiell kristalltransformation. I synnerhet uppvisar dessa avancerade 2D-heterostrukturer förbättrad spektral absorption i det infraröda området och utmärkt kemisk stabilitet i olika lösningar, inklusive vatten, syror och baser. Ännu viktigare är att MoS2-Mo5N6/ melaminskum (MF)-solvärmeanordningen, på grund av den förbättrade spektralabsorptionsintensiteten och den minskade värmeförlusten, uppvisar hög avdunstningshastighet (2.31 kg m-2h-1) och omvandlingseffektivitet (106.6 %), vilket är 1.4 respektive 4.7 gånger högre än för MoS2/MF- respektive MF/vatten-solvärmeanordningar. Detta arbete tillhandahåller en serie avancerade 2D-2D TMD-kväverika nitrid-heterostrukturer med utmärkt fototermisk prestanda för solvattengenerering. Detta arbete publicerades i Nano Energy, en framstående internationell tidskrift, som ”Advanced 2D-2D heterostructures of transition metal dichalcogenides and nitrogen-rich nitrides for solar water generation”.
Teknik för avdunstning av solenergi för fototermisk vatten förväntas lösa den globala bristen på rent vatten, det som behöver lösas nu är den låga kostnadsberedningen av fototermiska material, högeffektiv drift, såväl som stabiliteten och portabiliteten för användning i praktiska tillämpningsmiljöer, och ser fram emot fler resultat i framtiden till tidig nytta för hela mänskligheten!
För mer information om melaminskum, vänligen kontakta oss på [email protected] eller ring oss: +86-28-8411-1861.
Vissa bilder och texter är återgivna från Internet, och upphovsrätten tillhör den ursprungliga författaren. Om det finns några intrång, kontakta oss för att radera.