寧波材料所在太陽能界面光熱轉化及多介質純化方面取得進展

2020-11-25 中國科學院

　　傳統的分離與純化技術是一個高能耗、高成本的過程，在當前能源危機和環境壓力不斷增加的情況下，急需革新技術以突破能耗障礙。太陽能是一種清潔、可再生能源，高效開發和利用太陽能得到全世界的重視，也是我國可持續發展戰略的重要內容。太陽能光熱蒸發技術因其可持續、低/無能耗、零CO2排放等特點，近年來成為分離領域的研究熱點，在海水淡化、汙水淨化等方面展現出巨大應用潛力。其中光熱轉化材料是該技術的核心，主要包括等離激元材料、碳納米材料和半導體材料三類材料，然而製備複雜、成本高、穩定性低等是當前限制光熱材料推廣和阻礙光熱技術發展的主要原因，因此研發高轉化效率、低成本、高穩定性和普適性的光熱轉化材料顯得尤為重要和迫切。

　　近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員劉富團隊在前期光熱材料多介質純化應用研究的基礎上（J. Mater. Chem. A 2019, 7, 586-593），發展了一種低成本的全生物質光熱蒸餾器，並實現了從多種含水介質中提取純水（如圖1）。基於水稻秸稈生物質，通過限氧裂解方法得到多孔碳基光吸收材料，並與細菌纖維素複合製得高穩定性、高機械強度的光熱蒸發膜，太陽光吸收達89.4%。同時利用秸稈生物質的空腔結構作為汲水通道和支撐體來構築界面蒸發系統，水稻秸稈獨特的毛細內腔和壁面多級微納結構賦予該原生通道優異的無障礙供水能力。由光熱蒸發膜和汲水通道組裝成的全生物質光熱蒸餾器，用於模擬海水淡化裝置進行連續室外運行，在晴天和多雲天氣下日產水量分別為6.4～7.9kgm-2和4.6～5.6kgm-2，且直接達到飲用標準（鹽離子去除率保持在99.9%以上）。除了適用於海水淡化，該生物質光熱蒸餾器還可從灘涂、溼地、沼澤等含水介質中穩定提取純淨水，展現出良好的普適性。相關工作發表在ACS Appl. Mater. Interfaces. 2019, DOI: 10.1021/acsami.9b00291，該工作得到阿卜杜拉國王科技大學教授Peng Wang的合作支持。

　　除了水溶液，研究團隊針對有機溶劑體系的分離與純化，進一步研發了耐溶劑光熱材料，首次系統性研究了太陽能光熱蒸發技術在有機溶劑純化中的應用。普魯士藍（PB）是一類典型的Fe2+-C≡N-Fe3+面心立方晶配位聚合物，具有優異的水溶液和有機溶劑穩定性，晶體內Fe2+和Fe3+可發生電荷轉移賦予PB特定的光熱效應，然而結晶度和晶體空位是影響PB光熱轉化效率的關鍵因素。課題組基於單一鐵源，通過慢速結晶的配位聚合，合成低空位率、高結晶度的普魯士藍（PB）納米立方晶體（如圖2），並通過原位生長將其負載在同樣耐溶劑的棉纖維（CF）基體上，載量可控且結合穩定。製備的PB@CF複合纖維材料綜合了光熱轉化和溶劑自汲取功能，光吸收達到93.7%；成功應用於水和一系列有機溶劑（介電常數2.38～37.78）的光熱純化，在保持99.9%去除率的前提下，蒸發通量從丙酮的29.2 Lm-2h-1到N-甲基吡咯烷酮的0.73Lm-2h-1不等（一個太陽下），與溶劑蒸發焓成顯著負相關。對部分有機溶劑的純化效率與傳統壓力驅動的耐有機溶劑納濾膜相當。此外對高極性溶劑（DMAC）呈現出穩定的光熱蒸發性能，對DMAC溶劑純化運行3個月仍可保持穩定蒸發速率。該研究結果有望應用於化工和醫藥領域的溶劑體系分子篩分、溶劑回收、催化劑循環利用等，相關工作發表在J. Mater. Chem. A 2019, DOI: 10.1039/C9TA00798A。

　　以上工作得到國家自然科學基金委面上項目（51603209）、國家自然科學基金委與香港研究資助局聯合項目（5161101025、N-HKU706/16）以及寧波市科技局（2017C110034）等的支持。

 

圖1 全生物質光熱蒸餾器設計與光熱蒸發性能 

 

圖2 針對系列有機溶劑純化的高可靠普魯士藍（PB）光熱轉化器件設計 

　　傳統的分離與純化技術是一個高能耗、高成本的過程，在當前能源危機和環境壓力不斷增加的情況下，急需革新技術以突破能耗障礙。太陽能是一種清潔、可再生能源，高效開發和利用太陽能得到全世界的重視，也是我國可持續發展戰略的重要內容。太陽能光熱蒸發技術因其可持續、低/無能耗、零CO2排放等特點，近年來成為分離領域的研究熱點，在海水淡化、汙水淨化等方面展現出巨大應用潛力。其中光熱轉化材料是該技術的核心，主要包括等離激元材料、碳納米材料和半導體材料三類材料，然而製備複雜、成本高、穩定性低等是當前限制光熱材料推廣和阻礙光熱技術發展的主要原因，因此研發高轉化效率、低成本、高穩定性和普適性的光熱轉化材料顯得尤為重要和迫切。
　　近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員劉富團隊在前期光熱材料多介質純化應用研究的基礎上（J. Mater. Chem. A 2019, 7, 586-593），發展了一種低成本的全生物質光熱蒸餾器，並實現了從多種含水介質中提取純水（如圖1）。基於水稻秸稈生物質，通過限氧裂解方法得到多孔碳基光吸收材料，並與細菌纖維素複合製得高穩定性、高機械強度的光熱蒸發膜，太陽光吸收達89.4%。同時利用秸稈生物質的空腔結構作為汲水通道和支撐體來構築界面蒸發系統，水稻秸稈獨特的毛細內腔和壁面多級微納結構賦予該原生通道優異的無障礙供水能力。由光熱蒸發膜和汲水通道組裝成的全生物質光熱蒸餾器，用於模擬海水淡化裝置進行連續室外運行，在晴天和多雲天氣下日產水量分別為6.4～7.9kgm-2和4.6～5.6kgm-2，且直接達到飲用標準（鹽離子去除率保持在99.9%以上）。除了適用於海水淡化，該生物質光熱蒸餾器還可從灘涂、溼地、沼澤等含水介質中穩定提取純淨水，展現出良好的普適性。相關工作發表在ACS Appl. Mater. Interfaces. 2019, DOI: 10.1021/acsami.9b00291，該工作得到阿卜杜拉國王科技大學教授Peng Wang的合作支持。
　　除了水溶液，研究團隊針對有機溶劑體系的分離與純化，進一步研發了耐溶劑光熱材料，首次系統性研究了太陽能光熱蒸發技術在有機溶劑純化中的應用。普魯士藍（PB）是一類典型的Fe2+-C≡N-Fe3+面心立方晶配位聚合物，具有優異的水溶液和有機溶劑穩定性，晶體內Fe2+和Fe3+可發生電荷轉移賦予PB特定的光熱效應，然而結晶度和晶體空位是影響PB光熱轉化效率的關鍵因素。課題組基於單一鐵源，通過慢速結晶的配位聚合，合成低空位率、高結晶度的普魯士藍（PB）納米立方晶體（如圖2），並通過原位生長將其負載在同樣耐溶劑的棉纖維（CF）基體上，載量可控且結合穩定。製備的PB@CF複合纖維材料綜合了光熱轉化和溶劑自汲取功能，光吸收達到93.7%；成功應用於水和一系列有機溶劑（介電常數2.38～37.78）的光熱純化，在保持99.9%去除率的前提下，蒸發通量從丙酮的29.2 Lm-2h-1到N-甲基吡咯烷酮的0.73Lm-2h-1不等（一個太陽下），與溶劑蒸發焓成顯著負相關。對部分有機溶劑的純化效率與傳統壓力驅動的耐有機溶劑納濾膜相當。此外對高極性溶劑（DMAC）呈現出穩定的光熱蒸發性能，對DMAC溶劑純化運行3個月仍可保持穩定蒸發速率。該研究結果有望應用於化工和醫藥領域的溶劑體系分子篩分、溶劑回收、催化劑循環利用等，相關工作發表在J. Mater. Chem. A 2019, DOI: 10.1039/C9TA00798A。
　　以上工作得到國家自然科學基金委面上項目（51603209）、國家自然科學基金委與香港研究資助局聯合項目（5161101025、N-HKU706/16）以及寧波市科技局（2017C110034）等的支持。
 
圖1 全生物質光熱蒸餾器設計與光熱蒸發性能 
 
圖2 針對系列有機溶劑純化的高可靠普魯士藍（PB）光熱轉化器件設計 

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