水是人類社會生存與發(fā)展必不可少的重要自然資源。但是，由于分布不均，大量安全和清潔水資源的儲備有限，目前有超過10億人遭受飲用水短缺的困擾。太陽能蒸汽發(fā)電技術(shù)可能是目前使用可持續(xù)太陽能緩解飲用水短缺問題的最有前途的技術(shù)之一。光熱氣凝膠(PTMs)，通過將太陽能轉(zhuǎn)換成熱量集中在其表面，快速地加熱和蒸發(fā)薄層水，從而實(shí)現(xiàn)高蒸汽速率和能量轉(zhuǎn)換效率。其中，三維（3D）的石墨烯氣凝膠是目前研究最廣泛和最接近實(shí)際應(yīng)用的，其在太陽能產(chǎn)生蒸汽具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，如重量輕，柔性高，蒸發(fā)速率和能量效率高等特性。然而，有一個(gè)比較嚴(yán)重的問題是石墨烯的價(jià)格相對昂貴，所以在實(shí)際生活中大規(guī)模應(yīng)用該類PTM在經(jīng)濟(jì)合理性上任具有非常大的挑戰(zhàn)性。因此，如果要讓3D氣凝膠PTM被市場所接受，就必須制定一種在不影響效率的前提下減少此類材料中石墨烯含量的策略。其中，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種理想有效的方法就是使用生物質(zhì)材料作為3D氣凝膠的骨架載體，替代所用的部分石墨烯。
【研究成果】
針對以上難題，近日，南澳大利亞大學(xué)徐浩蘭研究員（通訊作者），Daniel Peter Storer（第一作者）采用還原氧化石墨烯（RGO）納米片，海藻酸鈉（SA）以及從稻草中提取的纖維素作為原料制備了3D光熱氣凝膠，用于太陽能水蒸發(fā)獲取純凈水。研究結(jié)果表明，稻草纖維素作為支撐骨架發(fā)揮著重要作用，不僅減少了RGO的使用量，并且提高了所得光熱氣凝膠的機(jī)械穩(wěn)定性和柔韌性。在RGO和SA含量相同的情況下，RGO-SA氣凝膠的體積為4.92 cm3，遠(yuǎn)小于RGO-SA-纖維素氣凝膠（7.06 cm3）的體積，這表明稻草纖維素至少可以減少RGO 43.5％的使用量。與RGO-SA-纖維素相比，RGO-SA氣凝膠在被負(fù)荷（500 g）壓縮后無法恢復(fù)其原始形狀。此外，所制備的光熱RGO-SA-纖維素氣凝膠具有明顯的吸水能力，由于其多孔結(jié)構(gòu)和超親水性，能夠吸收約自身重量20倍的水。并且，光熱氣凝膠顯示出96-97％的強(qiáng)寬帶光吸收率。在產(chǎn)生太陽蒸汽期間，3D光熱氣凝膠不僅有效地減少了輻射和對流能量損失，同時(shí)也增強(qiáng)了從環(huán)境中收集能量的能力，從而實(shí)現(xiàn)了2.25 kg m-2?h-1的極高蒸發(fā)速率，相當(dāng)于在1.0陽光照射下的88.9％ 能量轉(zhuǎn)換效率。離子測試結(jié)果顯示，實(shí)際海水蒸發(fā)過程中收集到的凈水鹽度僅為0.37 ppm。因此，生物質(zhì)纖維素部分替代還原石墨烯使得該類光熱氣凝膠材料不僅環(huán)保且具有成本效益，在現(xiàn)實(shí)世界的海水淡化應(yīng)用中具有巨大潛力和實(shí)際應(yīng)用前景。該研究成果以題為“Graphene and Rice-Straw-Fiber-Based 3D Photothermal Aerogels?for Highly Efficient Solar Evaporation”的論文發(fā)表在《ACS Applied materials and interfaces》上(見文后原文鏈接)。
【圖文詳解】
1.?RGO-SA-纖維素氣凝膠的制備
首先，將RGO納米片（1 mg mL-1）和SA（5 mg mL-1）與纖維素分散液合并，并通過超聲處理和攪拌充分混合以產(chǎn)生均質(zhì)的黑色RGO-SA -纖維素懸浮液。然后，將黑色分散體（8.7mL）加入到3.2 cm直徑的容器中，預(yù)冷凍并冷凍干燥。然后將制得的氣凝膠樣品浸入5％（w / w）的CaCl2水溶液中過夜，用Milli-Q水洗滌幾次，冷凍并冷凍干燥，以生成適合的Ca2+交聯(lián)RGO-SA-纖維素氣凝膠用于太陽蒸發(fā)。通過控制RGO-SA纖維素分散液的用量，制備了不同高度的RGO-SA纖維素氣凝膠。
2.?光熱氣凝膠機(jī)械性能和柔韌性
如圖2a,b所示，直徑為3 cm，高度為1 cm的RGO-SA-纖維素氣凝膠的密度僅為34.3?mg cm3；RGO-SA-纖維素氣凝膠超聲處理兩個(gè)周期（每個(gè)周期5分鐘）后，沒有觀察到任何的黑色物質(zhì)從氣凝膠中脫落（圖2c， d），樣品保持著非常好的完整性。此外，在室溫（RT）下，濕潤的RGO-SA-纖維素氣凝膠（直徑3厘米×厚度1厘米）可以輕松支撐約206 g的重量（如圖2e），其重量是其自身重量的940倍以上?，沒有任何變形的跡象。同時(shí)，RGO-SA-纖維素氣凝膠也顯示出優(yōu)異的柔韌性。當(dāng)堆疊在RGO-SA-纖維素氣凝膠上的兩個(gè)銅立方體（每個(gè)500克）擠出了所有吸附的水（圖2g）時(shí)，除去銅立方體后，氣凝膠能夠重新吸收水并恢復(fù)其原始形狀（圖2f，h）。
3.?光熱氣凝膠的吸光性和吸水性
光吸收性能是表征光熱氣凝膠應(yīng)用于太陽能水蒸發(fā)的重要參數(shù)之一。與純纖維素氣凝膠相比，RGO-SA-纖維素氣凝膠在整個(gè)紫外線??近紅外(NIR)?(290 – 1400 nm)測量范圍內(nèi)都顯示出更高的光吸收率（91.5-93％）（圖3a）。樣品用水潤濕后，在相同光范圍內(nèi)，光吸收率反而進(jìn)一步提高到96-97％（圖3a）。這主要的原因是引入折射率介于空氣和RGO之間的水層可以減少總反射損耗，從而提高光吸收率。光熱氣凝膠的親水性通過水滴在0.2 s內(nèi)的快速吸收得到證實(shí)（圖3d）。當(dāng)將RGO-SA-纖維素氣凝膠放在棉塊的上表面時(shí)，它在20 s內(nèi)被水完全潤濕（圖3e），從而確認(rèn)了棉塊和氣凝膠之間的有效水轉(zhuǎn)移。
4.?光熱氣凝膠的太陽能-熱能-水蒸發(fā)轉(zhuǎn)換效率
在1.0?太陽光照下，RGO-SA-纖維素氣凝膠（直徑3 cm，厚度1 cm）的蒸發(fā)表面的平均溫度在1分鐘內(nèi)從最初的18.3°C升高到24.9°C（如圖4a），表明氣凝膠表面具有非?？焖俚毓鉄崮芰哭D(zhuǎn)換。隨著光熱氣凝膠高度的增加，氣凝膠的表面溫度的降低了（圖4a，d），對于2厘米和3厘米高的氣凝膠，表面溫度僅分別為31.8和30.7°C。較低的表面溫度更有利于水蒸發(fā)，因?yàn)樘栒舭l(fā)過程中較低的表面溫度將導(dǎo)對環(huán)境的輻射和對流損失減。對于高度分別為1、2和3 cm的RGO-SA-纖維素氣凝膠，在1.0個(gè)太陽照射下計(jì)算出的蒸發(fā)速率分別為1.37、1.85和2.25 kg m-2?h-1。
5.?RGO – SA -纖維素氣凝膠用于海水淡化的實(shí)際可行性
通過電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）測量在1.0陽光照射下從海水蒸發(fā)中收集的水的鹽度。如圖5a所示，收集到的蒸汽中Na+和Mg2+的濃度均遠(yuǎn)低于原始海水中的濃度，所有四種主要離子的濃度（K+：0.19 ppm，Ca2+：0.15 ppm，Na+：0.37 ppm ，并且產(chǎn)生的蒸汽中的Mg2+：0.04 ppm）遠(yuǎn)低于世界衛(wèi)生組織（WHO）的可飲用水淡化水標(biāo)準(zhǔn)確定的鹽度水平。并且，在太陽能蒸發(fā)期間沒有觀察到鹽在蒸發(fā)表面上的沉積。由于光熱氣凝膠的超親水性和出色的吸水能力，表面上的鹽離子可以迅速擴(kuò)散到水中，以抵消蒸發(fā)表面上的鹽度增加。RGO-SA-纖維素氣凝膠的穩(wěn)定性通過在1.0太陽輻射下的循環(huán)性能測試來評估海水的過量蒸發(fā)。在為期2天的測試的15個(gè)循環(huán)中，平均蒸發(fā)速率為2.0±0.2 kg m-2?h-1（圖5b）。蒸發(fā)速率的輕微變化是由于環(huán)境濕度和溫度的波動所致。
由于RGO-SA-纖維素氣凝膠超親水性和多孔的結(jié)構(gòu)，其具有出色的吸水能力。對于3厘米高的光熱氣凝膠，可以吸收其自身重量20倍以上的水（圖6a，b），這使太陽能蒸汽產(chǎn)生而無需與外部大量供水接觸。對隔離的光熱氣凝膠在1.0太陽照射下連續(xù)蒸發(fā)8小時(shí)的研究發(fā)現(xiàn)，在第一個(gè)小時(shí)內(nèi)，蒸發(fā)速率達(dá)到1.60 g h-1（T：25°C，RH：24.6％），接下來的一小時(shí)（T：25°C，RH：27.7％）任具有1.46 g h-1的蒸發(fā)速率。此外，由于光熱氣凝膠的親水性和出色的機(jī)械柔韌性，可以通過補(bǔ)充水迅速恢復(fù)。補(bǔ)充水后，同一RGO-SA-纖維素氣凝膠，在1.0個(gè)太陽光照射下，其初始蒸發(fā)速率又返回到1.45 g h-1（T：25°C，RH：27.5％）。
【小結(jié)】
在3D RGO-SA-纖維素光熱氣凝膠中，稻草纖維素晶體作為骨架支持物，其不僅增強(qiáng)了光熱氣凝膠的柔韌性和機(jī)械穩(wěn)定性，并且在保證優(yōu)異的光熱效率的同時(shí)大幅度減少昂貴的RGO的使用量。所獲得的RGO-SA-纖維素氣凝膠具有滿足太陽能蒸發(fā)應(yīng)用的多個(gè)優(yōu)異特性，如親水性多孔結(jié)構(gòu)，重量輕，寬帶光吸收強(qiáng)，可重復(fù)使用，機(jī)械穩(wěn)定性和出色的柔韌性等特性。在3 cm高的光熱RGO-SA-纖維素氣凝膠上進(jìn)行1.0次太陽輻照時(shí)，達(dá)到了2.25 kg ?m-2?h-1的穩(wěn)定蒸發(fā)速率，相當(dāng)于88.9％的能量轉(zhuǎn)換效率。并且，通過該類型光熱材料獲得凈化水可以輕松滿足WHO和USEPA設(shè)定的清潔飲用水標(biāo)準(zhǔn)。
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