電子科技大學&俄克拉荷馬大學：一步制備碳化海綿作為可擴展、環保和超快的水凈化太陽能蒸發器

【引言】

隨著全球的工業化和城市化發展，淡水稀缺已經成為人類面臨的一個巨大挑戰。同時，太陽能這一綠色，可持續能源在很多領域得到了廣泛關注。近年來，研究者開發了很多光熱轉換材料（PCMs），利用太陽能來驅動水蒸發，從而獲得純凈水。目前，等離子體納米顆粒、半導體、碳材料、聚合物材料和生物質材料被廣泛研發來提高光熱轉換效率，但是大多數的PCMs的光熱轉換效率低于85%（一個太陽輻射下）。現今PCMs的開發仍有挑戰存在：(i) PCMs 的制備合成過程大都需要高額成本和復雜的工序，阻礙了PCMs的工業化大規模應用。(ii) 現階段的PCMs的蒸發速率和光熱轉換效率較低，從而引起產生淡水的速率慢。

【成果簡介】

近日，電子科技大學鞏峰博士和美國奧克拉荷馬大學的Dimitrios?V. Papavassiliou 教授（共同通訊作者）等在Nano?Energy上發表了題為“Scalable, eco-friendly and ultrafast solar steam generators based on one-step melamine-derived carbon sponges toward water purification”的研究論文。利用直接在空氣中煅燒商業三聚氰胺海綿（AMS），一步直接制備了高效的太陽能驅動的蒸汽發生器。該方法簡單易行，成本低廉。AMS有很多優點：碳化后在太陽光譜內具有很好的吸收效率；低的體熱導率有效鎖住熱量、很好的親水性保證充足的水供應、高孔隙率有利于蒸汽的快速運轉。這些優良性質使AMS擁有很高的光熱轉換效率，在一個太陽輻射下（1?kW?m^-2）實現了很高的蒸發效率（1.98 kg m^-2?h^-1）和光熱轉換效率（~92%）。通過巧妙的裝置設計避免了AMS和大體積水的直接接觸，防止熱量大量擴散到水中。相比于直接將AMS置于水面進行蒸發，此裝置的使用大大提高了蒸發速率和光熱轉換效率。AMS還被發現具有普適性，可以作用于多種水體（污染后的河水，海水，強酸強堿廢水）。研究發現，利用AMS可以從這些水體中得到純凈水，體現了其突出的防污性能。此外，作者巧妙的設計了測量AMS潛熱的簡單方法，結合理論計算探究了AMS中蒸發潛熱降低的原因。為了驗證AMS凈水能力，作者設計制作了室外裝置模型證明了AMS有望用于實際的工業化污水處理和海水淡化。

【圖文導讀】

圖一：空氣中煅燒三聚氰胺海綿（AMS）的示意圖和微觀形貌。

（a）400 ℃空氣中一步退火，白色MS轉變為黑色AMS；

（b）大塊MS（45 cm×35?cm）照片；

（c-d）MS的SEM圖片；

（e）退火后的AMS約有60%體積收縮（30 cm×20 cm）；

（f-g）AMS的SEM圖片，相較于MS，孔徑減小。

圖二：AMS的物理和機械性能

（a）AMS顯親水性，水接觸角為0°；

（b）10 s內，AMS上面的白色紙巾被藍色墨水潤濕；

（c）AMS被壓縮和釋放照片，顯示出優良的機械性能；

（d）MS和AMS的拉曼光譜；

（e）干燥MS和AMS的熱導率和密度；

（f）濕潤MS和AMS的熱導率和密度。

圖三：一個太陽輻射下，AMS的太陽蒸發性能

（a）使用熱絕緣體（AMS-TI）設計的太陽能蒸發裝置。一片AMS（2m×2?cm×0.3 cm）置于PS泡沫上（熱絕緣體），2?cm寬的無塵紙通過毛細管效應持續提供水。插圖為AMS的微觀結構示意圖和無塵紙毛細管效應示意圖；

（b）沒有熱絕緣體（AMS-NTI）的AMS太陽能蒸發示意圖。由于直接接觸，熱量直接傳輸到大體積水中；

（c）有熱絕緣體（AMS-TI）的AMS太陽能蒸發示意圖。由于熱絕緣層存在，熱量被阻礙散失到大體積水中；

（d-f）純水（d），AMS-NTI（e）和AMS-TI（f）在穩態下太陽能蒸發過程中的紅外圖像；

（g-i）一個太陽輻射下一小時，純水、AMS-NTI、AMS-TI的質量蒸發損失（g），平均溫度曲線（h），太陽蒸發效率和光熱轉換效率（i）；

圖四：AMS-TI在不同水體上的太陽能蒸發性能。

（a）一個太陽輻射下，1小時不同類型水的質量變化；

（b）不同類型水，一個太陽輻射下的表面溫度；

（c）AMS在一個太陽輻射下，不同類型水的蒸發速率和光熱轉換效率；

（d）蒸發前酸性水和蒸發所收集到水pH測試試紙照片；

（e）蒸發前堿性水和蒸發所收集到水pH測試試紙照片；

（f）AMS蒸發污水的性能，插入圖為被污水污染的無塵紙；

（g）AMS-TI在酸性水，堿性水和海水的循環性能；

（h）太陽能蒸發冷凝裝置原型的設計和組成示意圖；

（i）漂浮在河水上的太陽能蒸發冷凝裝置照片。

【小結】

研究人員通過一步碳化三聚氰胺海綿得到了高效，簡易，低成本的高效智能太陽能蒸汽發生器。制備的AMS具有高孔隙率，低密度（~0.015 g cm^-1），低熱導率（~0.038 W m^-1?K^-1）和親水毛細管網絡（水接觸角=0°）。在絕熱體（PS泡沫）和倒水通道（無塵紙）的協助下，AMS實現了1.98 kg m^-2 h^-1?的蒸發速率和~92%的光熱轉換效率，超過目前已報道的大多數PCMs。AMS表現出優異的防污性能、脫鹽作用和循環穩定性，可以被用于凈化污染河水、強酸和強堿廢水、海水。作者利用太陽光蒸發冷凝裝置證明了AMS用于大規模工業生產的可能性以及其應用前景。AMS的簡便性，可擴展性，低成本和高便攜性使其具有家庭和工業凈水的具體潛力，也可以應用于污水處理和海水淡化等領域。

文獻鏈接：Scalable, eco-friendly and ultrafast solar steam generators based on one-step melamine-derived carbon sponges toward water purification?（Nano Energy

2019, 58, 322-330）

本文由電子科技大學鞏峰博士和美國奧克拉荷馬大學Dimitrios?V. Papavassiliou 教授團隊供稿，材料人編輯部整理。

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