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解決淡水資源短缺問題因其對生命的重要性而備受關(guān)注,太陽能光熱界面水蒸發(fā) (ISSG)是緩解全球水資源短缺中最具有前景的技術(shù),是有效提升水蒸發(fā)效率的技術(shù)。然而,開發(fā)可持續(xù)的熱管理、高耐鹽析和出色機械強度的ISSG裝置以實現(xiàn)長期穩(wěn)定的海水淡化仍然存在挑戰(zhàn)。鑒于此,北京林業(yè)大學(xué)馬明國教授團隊開發(fā)了一種具有優(yōu)異機械性能的 3D Janus MXene/CNFs/luffa (JMCL) 氣凝膠可生物降解的太陽能蒸汽蒸發(fā)器,成功實現(xiàn)了 1.40 kg m-2 h-1的水蒸發(fā)速率和高達91.20%的能量效率該JMCL氣凝膠在單個模塊中集成了快速水傳輸、良好熱管理和高效光熱轉(zhuǎn)換的多功能性,實現(xiàn)了高效持續(xù)的海水淡化。3D Janus 結(jié)構(gòu)賦予 JMCL 氣凝膠相反的潤濕性,可實現(xiàn)快速產(chǎn)生局域熱和自漂浮的特性。JMCL氣凝膠的機械強度是MXene/CNFs氣凝膠的437倍。實現(xiàn)了 24 小時運行期間出色的耐鹽性和長達28 天的長期太陽能界面蒸汽產(chǎn)生。具有 3D Janus 結(jié)構(gòu)的多功能 JMCL 氣凝膠為開發(fā)耐用且環(huán)保的生物聚合物基蒸汽發(fā)生器提供了新的思路

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相關(guān)成果以“3D Janus structure MXene/cellulose nanofibers/luffa aerogels with superb mechanical strength and high-efficiency desalination for solar-driven interfacial evaporation”為題發(fā)表在國際期刊Journal of Colloid And Interface Science(JCR一區(qū),中科院一區(qū))。論文的第一作者為北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士研究生汪培林,通訊作者為北京林業(yè)大學(xué)馬明國教授。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目和北京林業(yè)大學(xué)杰出青年人才培養(yǎng)計劃項目的資助。

研究結(jié)論
引入瓜絡(luò)作為骨架并通過冷凍干燥構(gòu)建Janus結(jié)構(gòu)的MXene/纖維素納米纖維 (CNF) 氣凝膠(JMCL),制備了具有優(yōu)異機械性能的生物質(zhì) ISSG 裝置。JMCL 氣凝膠在1 kW·m-2太陽光照下的水蒸發(fā)速率為 1.40 kg m-2 h-1,能量轉(zhuǎn)換效率為 91.20%。此外,通過24小時的脫鹽驗證了其優(yōu)異的耐鹽性,并通過28天的運行證明了穩(wěn)定的蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率。通過最小化熱損失來實現(xiàn)熱局域化效果,并且由于鹽僅在蒸發(fā)器邊緣結(jié)晶而實現(xiàn)長期使用穩(wěn)定性。通過引入絲瓜絡(luò)作為三維(3D)結(jié)構(gòu)骨架,JMCL氣凝膠的機械強度提高了437倍,滿足了基于生物質(zhì)的太陽能蒸發(fā)器在海水淡化中的實際應(yīng)用。所制備的環(huán)境友好型納米纖維素氣凝膠,具有高機械強度和Janus結(jié)構(gòu),在太陽能界面水蒸發(fā)、污水凈化、殺菌和發(fā)電方面具有巨大的應(yīng)用潛力。

研究數(shù)據(jù)

《JCIS》北林馬明國:高效脫鹽能力氣凝膠用于太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)圖1.?(a) JMCL太陽能界面水蒸汽產(chǎn)生過程示意圖。(b) 顯示Ti3C2TXMXene納米片合成過程的示意圖。(c) JMCL氣凝膠的制造過程示意圖。(d) CNF和MXen的TEM圖像。(e) JMC和JMCL氣凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(f) JMCL 氣凝膠漂浮在水面上并在模擬陽光照射下產(chǎn)生水蒸氣的照片圖像。

《JCIS》北林馬明國:高效脫鹽能力氣凝膠用于太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)圖2.?(a) JMC氣凝膠和JMCL氣凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,應(yīng)變?yōu)?0%。(b) JMCL氣凝膠的紫外-可見-近紅外吸收光譜。

《JCIS》北林馬明國:高效脫鹽能力氣凝膠用于太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)圖3. (a) JMCL、MCL氣凝膠和水在陽光照射下隨時間產(chǎn)生的水蒸氣。(b) JMCL、MCL氣凝膠和水在陽光照射下的蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率。(c) 太陽能脫鹽后收集水的 Na+、K+、Mg2+ 和 Ca2+ 濃度的變化值。(d) 太陽能蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng)示意圖。(e) JMCL氣凝膠在光照下用于太陽能海水淡化的照片。(f) JMCL氣凝膠在 2 kW·m-2下快速產(chǎn)生水蒸汽的照片。(g) 在 1 kW·m-2光照下 24 小時海水淡化后JMCL上表面鹽分積累的照片。

《JCIS》北林馬明國:高效脫鹽能力氣凝膠用于太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)圖4. (a) JMCL氣凝膠連續(xù)24 小時在 1 kW·m-2下海水淡化時的表面溫度曲線。(b) JMCL氣凝膠在 1 kW·m-2 下連續(xù)運行24 小時的蒸發(fā)率。(c) JMCL氣凝膠在1 kW·m-2下連續(xù)海水淡化第1小時和第24小時的蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率。(d) JMCL氣凝膠在長期海水淡化過程中的平均表面溫度曲線。(e, f) JMCL氣凝膠在1 kW·m-2太陽光下長期太陽能界面水蒸發(fā)過程中的蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率。

來源:高分子科學(xué)前沿

原文始發(fā)于微信公眾號(艾邦氣凝膠論壇):《JCIS》北林馬明國:高效脫鹽能力氣凝膠用于太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)

作者 li, meiyong

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