太陽能驅動界面蒸發(fā)技術為緩解日益嚴重的淡水短缺問題提供了一種可持續(xù)發(fā)展的清潔水生產策略。在過去的幾十年里，為了提高蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率和光熱轉化效率，科學家們在太陽能蒸發(fā)器材料設計、結構/配置設計方面進行了不斷探索。然而，在實際應用過程中，太陽能蒸發(fā)器仍然面臨著成本高、機械性能e差以及長期耐用性低的問題。近期，西北師范大學李健課題組選擇成本低、環(huán)境友好以及低熱導率的凹凸棒(attapulgite, ATP)為主要成分，納米纖維素(nano-fibrillated cellulose, NFC)為骨架、通過聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)和戊二醛(glutaraldehyde, GA)的醛醇縮合反應制備了具有高機械強度的定向排列結構氣凝膠(APN)，最后將聚吡咯噴涂在該氣凝膠的上表面，構建光熱轉換層(APNP)。基于其高光吸收、低導熱性、超親水性，制備的氣凝膠在純水中具有高效的蒸發(fā)速率（1.41 kg m-2 h-1）以及優(yōu)異的能量轉換效率（87.6%）。此外，由于ATP的剛性結構、耐酸耐堿性和優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性以及定向排列結構設計，即使在高濃度鹽水、酸溶液、堿溶液、熱水等惡劣環(huán)境中，該氣凝膠也能保持高效穩(wěn)定的蒸發(fā)性能（1.30-1.40 kg m-2 h-1）。相關研究以“Robust superhydrophilic attapulgite-based aligned aerogels for highly efficient and stable solar steam generation in harsh environment”為題發(fā)表在最新的Journal of Materials Chemistry A上。第一作者為西北師范大學碩士生宋亮，通訊作者為碩士生導師牟鵬副教授和博士生導師李健教授。
【APNP氣凝膠的制備】
如圖1所示，作者使用溶膠-凝膠法，基于ATP表面的大量羥基基團，引入NFC作為骨架結構使ATP穩(wěn)定分散在溶液中，進一步通過PVA和GA的羥醛縮合反應加強溶膠的網絡結構。對形成的溶膠進行定向預冷凍和冷凍干燥技術得到定向排列結構的APN氣凝膠。為了增加氣凝膠的光吸收性能，在其表面噴涂聚吡咯形成APNP氣凝膠。
圖1 (a) APN氣凝膠制備示意圖，(b)不同形狀的APN氣凝膠的光學照片，(c)將APN氣凝膠置于狗尾巴草上，(d) APN氣凝膠承受2公斤重量的光學照片，(e)直徑為15厘米的放大APN氣凝膠。
【圖文速覽】
圖2 (a-c) (a)APN-20氣凝膠、(b)APN-40氣凝膠和(c)APN-60氣凝膠在低倍率下縱切面的SEM圖像。(d-f) (d) APN-20氣凝膠、(e)APN-40氣凝膠和(f)APN-60氣凝膠在高倍率下的SEM圖像。(g-i) (g)APN-20氣凝膠、(h)APN-40氣凝膠和(i)APN-60氣凝膠的橫截面SEM圖像。
圖7 (a) APN-20、APN-40、APN-60氣凝膠在1個太陽照射下的質量-時間曲線。 (b) APN-20、APN-40、APN-60氣凝膠在1個太陽照射下對純水的蒸發(fā)速率和能源效率。(c) 不同高度(0.5cm、1.0cm、1.5cm)的APNP-40氣凝膠在1個太陽照射下的質量-時間曲線。(d) PW、APN-40和APNP-40氣凝膠在一個太陽照射下的質量-時間曲線。(e) PW、APN-40和APNP-40氣凝膠在1個太陽照射下的表面溫度變化曲線。(f) PW、APN-40、APNP-40氣凝膠不同時間表面溫度的紅外圖像。
圖8 (a)在1個陽光照射下，APNP-40氣凝膠處理3.5%、5%、10%、15%和20%鹽水時的質量-時間曲線。(b)在1個陽光照射下，APNP-40氣凝膠處理PW(3.5%、5%、10%、15%、20%)鹽水、酸、堿和熱水(HW)的蒸發(fā)率和能源效率。(c) 在1個陽光照射下，APNP-40氣凝膠處理酸、堿和熱水的質量-時間曲線。(d)在1個陽光照射下，APNP-40氣凝膠處理20%鹽水、酸、堿以及在純水中循環(huán)10次后的蒸發(fā)速率。(e)模擬海水淡化前后Na+、K+、Ca2+、Mg2+的濃度變化。
【總結】
作者通過合理設計成功制備了具有高機械強度以及定向排列結構的ATP氣凝膠。歸因于其高光吸收、低熱導率、超親水性以及定向結構。APNP氣凝膠具有高能量轉換效率。此外，即使在惡劣環(huán)境下（高濃度鹽水、酸、堿、熱水），該氣凝膠依然能保持高效穩(wěn)定的蒸發(fā)。通過廉價以及可持續(xù)材料的使用、靈活可調的結構設計、強健的機械性能以及可擴展制備的方法，我們的工作提供了一種制造高效穩(wěn)定太陽能蒸發(fā)器的有效策略。
