美國德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華Energy Environ. Sci.：防污染、高效的水凝膠海水淡化太陽能蒸發器

【引言】

淡水稀缺是人類文明發展面臨的最嚴重威脅之一。在各種緩解淡水短缺問題的戰略中，海水淡化這一技術在不影響天然淡水生態系統的前提下，提供了適當的優質水源。與傳統的海水凈化技術如反滲透和離子交換相比，一些新型的蒸餾系統由于高效率，低成本和可擴展性已經證明了基于蒸發的水凈化的潛力。在此背景下，探索可持續的太陽能來驅動水蒸發成為一個快速增長的研究方向。對提高太陽能海水淡化的效率給予了極大的關注，其關鍵設計原則大致總結如下：（I）增強太陽能吸收以從集中陽光收集能量; （II）將轉化的能量限制在蒸發表面處的少量水中。例如，具有寬帶的各種吸收劑和增強的光吸收，例如超黑色半導體，等離子體納米粒子，已經在集中太陽能照射下進行了蒸汽發生的研究。然而，盡管蒸發率很高，但這些材料或設計的大規模應用受到相對較低的能量效率和復雜光學聚光器的高成本的阻礙。除了光濃度之外，通過熱定位改善能量約束（從太陽能）已經實現與碳基材料，共軛聚合物，和生物啟發納米技術，微觀結構，實現單次輻照下的太陽能海水淡化（1kW m^-2），為自然條件下的實際水凈化打開了可能性。這些太陽能蒸發器的主要挑戰是：（1）將蒸發表面與散裝水分開以抑制熱量損失；（2）從散裝水維持足夠的水供應至蒸發表面以連續蒸發；以及（3）維持低含水量在蒸發表面減少水加熱的能量消耗。

由于具有新穎的物理和化學性質，水凝膠是一類獨特的聚合物材料，其具有水分子溶脹的3D交聯聚合物網絡，已廣泛用于各種應用。更重要的是，已經證明聚合物網絡可以大大加速水凝膠的水分蒸發。理想情況下，如果太陽能可以轉換并限制在位于水凝膠蒸發表面的分子網格中，則水分蒸發將大大加速。然而，鑒于水凝膠中的水輸送不充分，蒸發分子網格的低效水補給成為阻礙用于實際水脫鹽的高效水凝膠基太陽能蒸發器的發展的重大挑戰。

【成果簡介】

近日，美國德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授課題組（通訊作者）在國際頂級期刊Energy Environ. Sci上成功發表 “A hydrogel-based antifouling solar evaporator for highly efficient water desalination”的論文。太陽能海水淡化是利用可持續能源進行大規模水凈化的有前途的方法。然而，目前的高速太陽能蒸發通常依賴于由于自然陽光的擴散導致的光學濃度，這導致能量供應不足。研究人員開發了一種基于新型混合水凝膠的高效太陽能水蒸氣發生器，其具有通過毛細管水路徑實現的增強的水輸送（即具有毛細管促進水輸送的水凝膠，表示為CTH）。 CTH是通過將還原的氧化石墨烯（rGO）穿透到聚乙烯醇（PVA）的聚合物網絡中而構建的，所述氧化石墨烯是廣泛使用的在整個太陽光譜上表現出寬帶吸收的吸收體。

【圖文導讀】

圖1?基于具有毛細管促進水輸送（CTH）的混合水凝膠的太陽蒸汽產生的示意圖

在暴露于太陽輻射后，強烈的水蒸發（藍色箭頭）可以由太陽能驅動。 浮動CTH能夠通過毛細管泵送（粉紅色箭頭）和滲透膨脹（淺藍色箭頭）效果將水從大量的水輸送到蒸發表面，從而減輕蒸發過程中的水分損失。 在聚合物網絡（PVA）內相互滲透的rGO吸收劑可以有效地收獲太陽能以及將能量轉移和限制在蒸發表面上的分子網格上，在蒸發表面上促進水分蒸發，從而進一步加速水分蒸發。

圖2 ?CTH化學和結構表征

（a）大片（20×30厘米）制備的CTH的照片;

（b）不同放大倍數下的SEM圖像顯示；

（c）頂視圖微米級孔和的橫截面圖像；

（d）CTH壁結構的扭曲表面的毛細通道及插圖：純PVA水凝膠中壁結構的平坦表面；

（e）顯示PVA和CTH的儲能模量（G'）和損耗模量（G“）的動態力學分析；

（f）PVA，rGO和CTH的FTIR光譜顯示化學組成。

圖3 CTHs的可調水運輸，太陽能吸收和太陽能熱轉換

（a）CTH中每克相應干凝膠的飽和水含量（即gg^-1）。 CTH1至CTH4代表含有rGO的凝膠，其C / O比分別為132.3，19.6，12.7和4.9；

（b）CTH從半飽和狀態到飽和狀態的溶脹行為以及計算的輸水速率表明了CTHs中的可調水輸送；

?（c）CTH薄片的UV-vis-NIR光譜，厚度約為1mm。 在AM 1.5 G下太陽光譜的歸一化光譜太陽輻射密度由黑色虛線表示；

?（d）隨著時間的推移，標準陽光照射下（1 kW m^-2）下CTH和散裝水中蒸發表面的溫度。 W-CTH1，2，3和4分別代表CTH 1，2，3和4下面的散裝水的溫度。

圖4?標準陽光照射下（1 kW m^-2）下CTH的太陽蒸氣產生

（a）與單純水作為對照試驗相比，在標準陽光照射下（1 kW m^-2）下不同CTH樣品的水的質量損失；

（b）與最近的文獻報道相比，CTH3的單日蒸氣發生性能；

（c）基于CTH的太陽能蒸汽發生試驗裝置和相應的紅外圖像，顯示輻照時間為0分鐘，10分鐘和60分鐘時的溫度分布；

?（d-e）CTH蒸發表面附近溫度分布的模擬和理論模擬，其中紅色橄欖色區域和藍色背景分別代表毛細管通道和聚合物網絡。 預加載的熱源和水源分別用黃色和藍色虛線箭頭表示。

圖5?標準陽光照射下（1 kW m^-2）基于CTH的太陽能海水淡化

（a）基于CTH的太陽能海水淡化示意圖。 漂浮的CTH收獲太陽能以汽化凈化水（藍色箭頭）。 當水運輸引起的鹽離子吸收（紫羅蘭色箭頭）和擴散使鹽離子排放（黃色箭頭）平衡時，建立平衡；

（b）脫鹽前后實際海水樣品中四種主要離子的濃度；

（c）測量CTH中積累的四種主要離子隨時間推移的濃度，表明使用的CTH中的平衡離子濃度相對較低，這不足以觸發結晶；

（d）標準陽光照射下（1 kW m^-2）下持續太陽能海水淡化96小時的CTH持續時間測試。

【小結】

研究人員設計的具有毛細管促進水輸送（CTH）的混合水凝膠已經實現了高效太陽能蒸汽生成，其提供了定制水運輸，有效能量約束和降低水蒸發焓的協同特征。水分布可以通過聚合物網絡及其與rGO添加劑的相互作用來調節以平衡水運輸和太陽能蒸發，從而提高能源利用效率。更重要的是，CTH體現了一種新的可能性，即在弱日光下通過將熱量限制在分子網格中來開發高速太陽能蒸發器，從而減少能量損失。此外，聚合物網絡可以減少水蒸汽的能量需求以促進蒸汽的產生。這種新穎的設計使太陽能蒸汽的產生速率達到?2.5 kg m^-2 h^-1，標準陽光照射下（1 kW m^-2）下能量效率約為95％。此外，防污功能，低成本和可擴展性進一步保證了CTH在實際環境中的巨大潛力。除了展示的太陽能凈水，新開發的基于水凝膠的太陽能收割機可用于其他應用，如環境冷卻，水/濕氣管理和減少污染。?因此，這項工作有望顯著擴大應用領域并降低太陽能供水管理系統的成本。

【文獻鏈接】：A hydrogel-based antifouling solar evaporator for highly efficient water desalination(Energy Environ. Sci，2018，DOI：10.1039/C8EE00567B.)

?本文由材料人編輯部新人組Flyfish（羅程）編輯，劉宇龍審核，點我材料人編輯部。

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