我院研發(fā)出可規(guī)模化具有垂直孔道和分級(jí)結(jié)構(gòu)的超輕光熱氣凝膠材料

【背景介紹】

近年來(lái)，為了有效緩解水資源危機(jī)，國(guó)際上相繼報(bào)道了各種太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的界面蒸發(fā)器的研究，用于從海水、廢水中分離收集淡水。然而，用于界面蒸發(fā)的傳統(tǒng)材料通常依賴于復(fù)雜的物理化學(xué)交聯(lián)過(guò)程，存在易溶解、宏觀形狀和尺寸不可控、難以規(guī)模化等缺點(diǎn)。特別是，國(guó)際上報(bào)道的氣凝膠材料內(nèi)部無(wú)序多孔結(jié)構(gòu)和不規(guī)則孔徑分布不利于水蒸氣的流通，導(dǎo)致析出鹽晶體在蒸發(fā)器界面聚集堵住孔道。

【成果簡(jiǎn)介】

針對(duì)以上難題，我院唐少春教授團(tuán)隊(duì)受樹木內(nèi)部天然形成的紋理結(jié)構(gòu)和蒸騰行為的啟發(fā)，找到了有效的解決方案。團(tuán)隊(duì)采用冰模板研發(fā)出一種具有垂直定向孔道、超輕、形狀和尺寸任意可控、可規(guī)模化制備的超輕氣凝膠材料，并作為光熱轉(zhuǎn)化功能氣凝膠用于集成自浮式太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)器。該氣凝膠材料超輕特質(zhì)使其在水面自漂浮，不僅具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換和熱絕緣特性，而且內(nèi)部垂直排列的規(guī)則通道實(shí)現(xiàn)了定向超快水傳輸。尤其是，相鄰?fù)ǖ辣谏洗罅烤鶆蚍植嫉男】?/span>能夠讓蒸發(fā)器表面的濃縮鹽離子動(dòng)態(tài)回流，從而防止了通道被堵塞。該研究為氣凝膠基太陽(yáng)能界面高效持久海水淡化裝置的設(shè)計(jì)及規(guī)模化應(yīng)用提供了新的思路。相關(guān)研究成果近日以題名“Scalable Ultralight Wood-Inspired Aerogel with Vertically Aligned Micron Channels for Highly Efficient Solar Interfacial Desalination”發(fā)表在國(guó)際知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces（DOI: 10.1021/acsami.3c11841），2020級(jí)碩士研究生張青原和2022級(jí)博士研究生陳玉為該論文的共同第一作者，我院院長(zhǎng)唐少春教授和南京大學(xué)現(xiàn)工院王瑜副教授為該論文的共同通訊作者。

一、垂直定向孔道、超輕、形狀和尺寸任意可控、超輕氣凝膠材料的制備

首先，將羧甲基纖維素、對(duì)苯二甲酸和堿依次溶于去離子水中混合，基于冷凍干燥冰晶定向模板獲得具有規(guī)則通道的高分子氣凝膠（CMC-BDC）；然后，將其浸入吡咯/FeCl₃混合溶液中，從而在CMC-BDC表面及通道壁上生長(zhǎng)聚吡咯（PPy），得到復(fù)合多功能超輕氣凝膠（CBFP）材料。制得一提的是，該氣凝膠的孔道結(jié)構(gòu)、宏觀形狀和尺寸均可以實(shí)現(xiàn)任意調(diào)控。引入的聚吡咯不僅賦予這種易溶易加工高分子不溶于水的特性，而且通過(guò)非輻射弛豫和分子振動(dòng)實(shí)現(xiàn)了高效光熱轉(zhuǎn)換，同時(shí)優(yōu)異隔熱性將熱量集中在蒸發(fā)界面，從而進(jìn)一步提高光熱轉(zhuǎn)換效率。

圖1. (a) 基于復(fù)合多功能超輕氣凝膠CBFP材料蒸發(fā)器的制備過(guò)程圖；(b) 蒸發(fā)器通道吸水示意圖；(c) 大型自浮蒸發(fā)器示意圖；(d) 蒸發(fā)器的光熱轉(zhuǎn)換和隔熱動(dòng)態(tài)行為的示意圖。 

圖2. (a-f) 復(fù)合氣凝膠材料的表面和橫截面SEM圖像。(g）復(fù)合氣凝膠的超輕特性，樹葉能夠支撐其重量。(h-j）復(fù)合氣凝膠的形狀任意可控，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模制備，能自漂浮在水面。(k) 與無(wú)序多孔結(jié)構(gòu)的氣凝膠相比，具有有序通道結(jié)構(gòu)的復(fù)合氣凝膠表現(xiàn)出更快吸水能力。

二、基于復(fù)合多功能超輕氣凝膠材料蒸發(fā)器的光熱轉(zhuǎn)換和熱定位效應(yīng)

由于表層聚吡咯的高效光熱轉(zhuǎn)化能力和定向孔通道結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，CBFP蒸發(fā)器的太陽(yáng)光吸收率高達(dá)92.7%（圖3a所示）。同時(shí)，復(fù)合氣凝膠在干燥狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)低至0.196 W m^-1 k^-1，在潮濕狀態(tài)下為0.284 W m^-1 k^-1，因此蒸發(fā)器具有優(yōu)異隔熱性能（圖3b）。特別是，CBFP蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)了高效光熱轉(zhuǎn)換和熱定位效應(yīng)，如圖3c所示，其表面溫度在600秒內(nèi)迅速升至35.7 °C。內(nèi)部的水溫度仍然很低（26.6 °C，圖3d），表明CBFP能有效保留熱量，最大限度地減少熱量損失。

圖 3. (a) CBFP蒸發(fā)器的太陽(yáng)光吸收率。(b) CBFP蒸發(fā)器在干燥態(tài)和濕態(tài)下測(cè)得的熱導(dǎo)率。(c) CBFP蒸發(fā)器在1個(gè)模擬太陽(yáng)照射下的表面和水體溫度。(d) CBFP 蒸發(fā)器整體溫度分布。 

三、基于復(fù)合多功能超輕氣凝膠材料蒸發(fā)器的海水淡化性能

團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)評(píng)估了CBFP蒸發(fā)器的抗鹽性能。如圖4a所示，在濃度為10 wt.%氯化鈉溶液中連續(xù)工作20小時(shí)后，水蒸發(fā)率始終保持在1.5 kg m^-2 h^-1。同時(shí)，在鹽水蒸發(fā)過(guò)程中CBFP表面未檢測(cè)到鹽晶體的析出（圖4b）；作為對(duì)比，具有不規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器表面完全被鹽結(jié)晶覆蓋。這表明CBFP具有優(yōu)異的耐鹽穩(wěn)定性，抗鹽性能歸因于（圖5c）：通道壁上分布大量小孔構(gòu)成的分級(jí)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了水流在通道之間的連續(xù)流動(dòng)，快速溶解了積聚在蒸發(fā)界面的高濃度鹽。通過(guò)數(shù)值模擬和設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)鹽溶解實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在鹽水蒸發(fā)過(guò)程中，蒸發(fā)器界面上的高濃度鹽通過(guò)縱向?qū)α餮杆偃芙猓瑢?dǎo)致了蒸發(fā)器表面沒有鹽結(jié)晶出現(xiàn)，這也進(jìn)一步證明了CBFP具有出色的動(dòng)態(tài)鹽稀釋能力（圖4d, 4e和4f）。

圖4. CBFP和無(wú)序多孔蒸發(fā)器(a) 蒸發(fā)率和(b) 在鹽水中20小時(shí)的鹽水蒸發(fā)性能對(duì)比。(c) CBFP海水淡化過(guò)程和鹽離子回流示意圖。(d) CBFP模型溫度分布的數(shù)值模擬。(e) CBFP模型的鹽水傳輸和對(duì)流速度數(shù)值模擬。(f) CBFP表面的實(shí)時(shí)和動(dòng)態(tài)鹽溶解實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

四、戶外試驗(yàn)基于復(fù)合多功能超輕氣凝膠材料蒸發(fā)器針對(duì)廢水分離

 圖5. (a) 從模擬不同濃度海水（1.4, 3.5和4.1 wt%）蒸發(fā)收集的凝結(jié)水中Na+的質(zhì)量百分比。(b) 從模擬海水蒸發(fā)收集冷凝水中Na⁺、Mg²⁺、K⁺和 Ca²⁺的質(zhì)量百分比。(c) 重金屬離子污水和凈化水中Cu²⁺、Pb²⁺和Cd²⁺的濃度。(d) CBFP針對(duì)含有不同顏料的廢水在凈化前后的吸收光譜。(e) CBFP 蒸發(fā)性能的室外試驗(yàn)，測(cè)試記錄時(shí)間從早上6點(diǎn)整至下午6點(diǎn)整。

為了進(jìn)一步評(píng)估CBFP蒸發(fā)器實(shí)際應(yīng)用效果，團(tuán)隊(duì)開展了一系列戶外試驗(yàn)。針對(duì)不同鹽度的海水（北海1.4%，平均鹽度3.5%和紅海4.1%），結(jié)果如圖5a, b所示，針對(duì)重金屬離子廢水和染液降解的戶外蒸發(fā)試驗(yàn)結(jié)果分別見圖5c和圖5d。

分別經(jīng)過(guò)CBFP蒸發(fā)處理后，收集的冷卻水中存在的Na⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺，典型工業(yè)廢水蒸發(fā)收集水中的Cu²⁺, Pb²⁺和Cd²⁺，以及染液蒸發(fā)收集冷卻水中的色素粒子，它們的脫除率都接近100%，完全符合世界衛(wèi)生組織（WHO）對(duì)日常飲用水的要求。需要強(qiáng)調(diào)的是，在戶外蒸發(fā)測(cè)試中，CBFP蒸發(fā)器的平均蒸發(fā)速率達(dá)到了1.47 kg m^-2 h^-1（圖 5e），這表明CBFP蒸發(fā)器能夠在戶外環(huán)境中實(shí)用。

【結(jié)論】

該研究從材料的設(shè)計(jì)和制備出發(fā)，利用冷凍干燥冰晶定向模板法，得到一種具有垂直定向孔道、超輕、形狀和尺寸任意可控、可規(guī)模化的超輕氣凝膠材料，并作為光熱轉(zhuǎn)化功能氣凝膠用于集成自浮式太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)器。定向排列的通道孔結(jié)構(gòu)、PPy包覆以及分級(jí)結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，使其將強(qiáng)太陽(yáng)光吸收、高光熱轉(zhuǎn)換、隔熱以及優(yōu)異輸水能力集于一身，實(shí)現(xiàn)了具有高水蒸發(fā)率、高能量轉(zhuǎn)換效率和長(zhǎng)期穩(wěn)定持續(xù)工作的高效太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)器。該工作實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部具備定向垂直排列通道和分級(jí)孔結(jié)構(gòu)氣凝膠的設(shè)計(jì)制備及其孔徑的精準(zhǔn)控制，為海水淡化、廢水凈化等提供了一種零能耗的絕佳技術(shù)，具有重要科學(xué)的意義和應(yīng)用價(jià)值。 

原文出處：(Qingyuan Zhang, ^# Yu Chen,^# Yating Wang, Jiajun He, Peng Yang, Yu Wang,^* Shaochun Tang^*, Scalable Ultralight Wood-Inspired Aerogel with Vertically Aligned Micron Channels for Highly Efficient Solar Interfacial Desalination, ACS Applied Materials & Interfaces, DOI: 10.1021/acsami.3c11841).