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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注,太陽能光熱界面水蒸發 (ISSG)是緩解全球水資源短缺中最具有前景的技術,是有效提升水蒸發效率的技術。然而,開發可持續的熱管理、高耐鹽析和出色機械強度的ISSG裝置以實現長期穩定的海水淡化仍然存在挑戰。鑒于此,北京林業大學馬明國教授團隊開發了一種具有優異機械性能的 3D Janus MXene/CNFs/luffa (JMCL) 氣凝膠可生物降解的太陽能蒸汽蒸發器,成功實現了 1.40 kg m-2 h-1的水蒸發速率和高達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換的多功能性,實現了高效持續的海水淡化。3D Janus 結構賦予 JMCL 氣凝膠相反的潤濕性,可實現快速產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生。具有 3D Janus 結構的多功能 JMCL 氣凝膠為開發耐用且環保的生物聚合物基蒸汽發生器提供了新的思路

《JCIS》北林馬明國:高效脫鹽能力氣凝膠用于太陽能驅動界面水蒸發

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

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

研究數據

《JCIS》北林馬明國:高效脫鹽能力氣凝膠用于太陽能驅動界面水蒸發圖1.?(a) JMCL太陽能界面水蒸汽產生過程示意圖。(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氣凝膠的應力-應變曲線。(f) JMCL 氣凝膠漂浮在水面上并在模擬陽光照射下產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動界面水蒸發圖2.?(a) JMC氣凝膠和JMCL氣凝膠的應力-應變曲線,應變為20%。(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動界面水蒸發圖3. (a) JMCL、MCL氣凝膠和水在陽光照射下隨時間產生的水蒸氣。(b) JMCL、MCL氣凝膠和水在陽光照射下的蒸發速率和蒸發效率。(c) 太陽能脫鹽后收集水的 Na+、K+、Mg2+ 和 Ca2+ 濃度的變化值。(d) 太陽能蒸汽產生系統示意圖。(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動界面水蒸發圖4. (a) JMCL氣凝膠連續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 下連續運行24 小時的蒸發率。(c) JMCL氣凝膠在1 kW·m-2下連續海水淡化第1小時和第24小時的蒸發速率和蒸發效率。(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過程中的蒸發速率和蒸發效率。

來源:高分子科學前沿

原文始發于微信公眾號(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動界面水蒸發

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