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

【背景介紹】

近年來,，為了有效緩解水資源危機(jī),，國際上相繼報道了各種太陽能驅(qū)動的界面蒸發(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)過程,，存在易溶解、宏觀形狀和尺寸不可控,、難以規(guī)?；热秉c。特別是,，國際上報道的氣凝膠材料內(nèi)部無序多孔結(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。

【成果簡介】

針對以上難題,，我院唐少春教授團(tuán)隊受樹木內(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)?；苽涞某p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能驅(qū)動界面蒸發(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態(tài)回流,，從而防止了通道被堵塞,。該研究為氣凝膠基太陽能界面高效持久海水淡化裝置的設(shè)計及規(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)表在國際知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces（DOI: 10.1021/acsami.3c11841）,，2020級碩士研究生張青原和2022級博士研究生陳玉為該論文的共同第一作者，我院院長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,，而且通過非輻射弛豫和分子振動實現(xiàn)了高效光熱轉(zhuǎn)換，同時優(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)器的太陽光吸收率高達(dá)92.7%（圖3a所示）,。同時,，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)器的太陽光吸收率,。(b) CBFP蒸發(fā)器在干燥態(tài)和濕態(tài)下測得的熱導(dǎo)率。(c) CBFP蒸發(fā)器在1個模擬太陽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)隊系統(tǒng)評估了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小時后，水蒸發(fā)率始終保持在1.5 kg m^-2 h^-1,。同時,，在鹽水蒸發(fā)過程中CBFP表面未檢測到鹽晶體的析出（圖4b）；作為對比,，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)成的分級結(jié)構(gòu),，促進(jìn)了水流在通道之間的連續(xù)流動，快速溶解了積聚在蒸發(fā)界面的高濃度鹽,。通過數(shù)值模擬和設(shè)計的動態(tài)鹽溶解實驗結(jié)果表明,，在鹽水蒸發(fā)過程中，蒸發(fā)器界面上的高濃度鹽通過縱向?qū)α餮杆偃芙?，?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具有出色的動態(tài)鹽稀釋能力（圖4d, 4e和4f）,。

圖4. CBFP和無序多孔蒸發(fā)器(a) 蒸發(fā)率和(b) 在鹽水中20小時的鹽水蒸發(fā)性能對比。(c) CBFP海水淡化過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流速度數(shù)值模擬。(f) CBFP表面的實時和動態(tài)鹽溶解實驗結(jié)果,。

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

 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,，測試記錄時間從早上6點整至下午6點整,。

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

分別經(jīng)過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）對日常飲用水的要求,。需要強(qiáng)調(diào)的是，在戶外蒸發(fā)測試中,，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)境中實用。

【結(jié)論】

該研究從材料的設(shè)計和制備出發(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)?；某p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能驅(qū)動界面蒸發(fā)器,。定向排列的通道孔結(jié)構(gòu),、PPy包覆以及分級結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，使其將強(qiáng)太陽光吸收,、高光熱轉(zhuǎn)換,、隔熱以及優(yōu)異輸水能力集于一身，實現(xiàn)了具有高水蒸發(fā)率,、高能量轉(zhuǎn)換效率和長期穩(wěn)定持續(xù)工作的高效太陽能驅(qū)動界面蒸發(fā)器,。該工作實現(xiàn)了內(nèi)部具備定向垂直排列通道和分級孔結(jié)構(gòu)氣凝膠的設(shè)計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).