一種低成本、高效率的太陽能光熱海水淡化多功能涂層
發布者:lzx | 來源:科學材料站 | 0評論 | 3207查看 | 2020-05-11 09:47:14    

近年來,關于太陽能光熱海水淡化的研究多集中于器件的結構設計,而新型光熱材料方面的研究進展則較為緩慢。我們認為新型多功能低成本光熱材料的開發設計對于該技術的應用同樣具有重要意義。在開發設計新型材料方面,我們的思路是該材料需具備以下幾點性能:


1.制備過程要簡單溫和,盡量避免使用特殊設備,使其容易大規模制備;


2.材料成本一定要低;


3.材料要有較好的光吸收和光熱性能;


4.材料具備較好的穩定性,可適用于多種環境;


5.材料最好具有較好的普適性,并且兼容各種結構設計,為進一步提高其性能提供良好的平臺;


6.材料最好具有一定的多功能性。目前所報道的材料很難同時滿足以上要求,這就需要考慮從新的角度去解決這個問題。


我們一直以來都在從事基于貽貝仿生表/界面涂層的設計開發,我們就在思考,能否從涂層的角度出發來解決上述問題。我們前期開發了TA-APTES涂層,該涂層具有良好的普適性,可對具有不同形貌的多種材料進行表界面改性,同時該涂層制備過程極其簡單,且成本很低。如果可以將該涂層轉變為光熱材料,則可以很好的滿足上述要求。


因此,我們做了一系列嘗試,最終發現經過簡單的三價鐵離子處理,該涂層即可變為黑色光熱材料,同時,三價鐵離子處理還可以大幅提高該涂層的酸堿穩定性和賦予材料持久的超親水性,可謂一舉三得。這一具有諸多優點的新型涂層將為光熱材料的設計開發提供全新思路,并將極大的促進該領域的發展。


1.太陽能蒸發技術的研究現狀


飲用水短缺是全球最重要的挑戰之一。近來,基于空氣/水界面處的太陽能光熱海水淡化/水凈化技術引起了學術界和工業界的關注。與傳統的太陽能蒸發技術通過加熱一整塊水來獲得蒸汽不同,這項新技術將熱量集中鎖定在氣/液界面,從而可以最大程度地減少熱損失,并快速的將水變為水蒸氣,從而大幅提高蒸汽產生的效率。盡管尚未在大型工廠實施應用,但預計基于光熱材料的太陽能海水淡化/水凈化技術將成為生產清潔水和減少廢水量的經濟且可持續的技術。


2.光熱材料的研發進展


到目前為止,已開發出各種光熱材料來產生蒸汽,例如等離子體粒子,半導體,碳質材料。作者已經開發了一種基于柔性卟啉有機骨架(POF)的界面工程方法來生產光熱材料,并且該策略可用于包括膜,織物,海綿和木材在內的各種材料。


此外,作者還制備了低成本的單寧酸-鐵復合涂層,以制備用于太陽能蒸汽發電的光熱材料。盡管在過去兩年中取得了重大進展,但挑戰仍然存在:在某些情況下,成本高(例如貴金屬),復雜的處理(例如高溫加熱,多步合成,或等離子處理)或用于制備光熱的專用設備阻礙了其工業應用。此外,對于水源被有機化合物(例如油)污染的問題,常用的碳化策略通常會剝奪光熱基質的超親水性,使其易于被水中油滴污染堵塞材料內部的水輸送通道,進而大幅降低產水速率。因此,仍然需要開發新材料以克服上述問題。


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圖1.圖片概要


基于以上現狀,李越湘教授和王振興博士等在國際知名期刊Nano Energy上發表題為“Versatile coating with multifunctional performance for solar steam generation”的論文。王振興博士和韓明才為本文共同第一作者。


在這項工作中,作者開發了一種新型材料,單寧酸@氨基丙基三乙氧基硅烷@Fe3+([email protected]@Fe3+),在效率,成本,可擴展性,穩定性和適應性方面均表現出令人鼓舞的性能。[email protected]@Fe3+與以前報道的材料(例如,碳質材料,等離子體金屬,聚吡咯和半導體)不同,并且具有幾個明顯的優點:


(a)方法簡單


該制造過程容易且溫和,可以在室溫下水溶液中實現,無需高溫、高壓、有毒的有機溶劑或復雜的設備。


(b)成本低廉


用于制備[email protected]@Fe3+的試劑價格低廉,易于獲得。材料成本僅為1.6美元/平方米,低于其他報告的材料。


(c)普適性和穩定性好


[email protected]@Fe3+可以牢固地粘附在具有各種形狀和表面化學性質的基材(棉,濾紙,木材,PU海綿,甚至是化學惰性和高度疏水的PVDF膜)的表/界面上,具有良好的酸堿穩定性,并可承受水沖洗處理(3000r/min96h),循環凍融測試(?18°C?30°C,90次),這是其他已報道的涂層(例如炭黑)難以實現的。


(d)良好的抗原油黏附性


[email protected]@Fe3+具有穩定的超親水性和水下超疏油性,可賦予基材抗油和其他有機物污染的能力。


(e)強的光吸收


基于上述優點,該涂層可以將多種不同基材轉變為高效的光熱材料,并用于太陽能海水淡化。以經過結構設計的楊木為例,楊木其經過[email protected]@Fe3+處理后,水蒸發速率達到約1.8kgm-2h-1(一個太陽光照強度下)。這一技術有望與目前的3D打印技術相結合,通過3D打印技術制備具有優化結構的基材,之后利用該涂層轉換為光熱材料,將有望大幅提高太陽能海水淡化效率,極大的促進這一領域的發展。


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