?目前,世界人口的五分之一生活在缺水地區(qū)。對(duì)于這些地區(qū)的人們來(lái)說(shuō),尤其是在缺少穩(wěn)定電力的地區(qū),獲得干凈的飲用水通常是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。因此,迫切需要一種高效,低成本,可持續(xù)和簡(jiǎn)單易得的技術(shù)和設(shè)備來(lái)產(chǎn)生清潔的飲用水。太陽(yáng)能是地球上最豐富和廣泛的資源之一。太陽(yáng)能凈水技術(shù)簡(jiǎn)單有效,可從不可飲用的水源(如湖水,污水或海水)中獲得干凈的飲用水。

近日,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于細(xì)菌纖維素納米復(fù)合材料的高效且可持續(xù)的仿生多層級(jí)太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生器(HSSG)。該HSSG是通過(guò)一步氣溶膠輔助生物合成過(guò)程制造的。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的微生物合成過(guò)程成功地與納米材料的氣溶膠沉積技術(shù)相結(jié)合,并且直接高效地構(gòu)建了復(fù)雜的仿生層級(jí)結(jié)構(gòu)。該HSSG的分層結(jié)構(gòu)包含三個(gè)具有不同功能的連續(xù)層,包括碳納米管與細(xì)菌纖維素復(fù)合的光吸收層,玻璃微珠與細(xì)菌纖維素復(fù)合的隔熱層以及用于支撐和輸水的木質(zhì)基材(圖1)。在HSSG中,細(xì)菌纖維素水凝膠的三維纖維素納米纖維網(wǎng)絡(luò)顯著降低了將液態(tài)水轉(zhuǎn)化為蒸汽的能耗并加速水汽化。由于這種仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和納米網(wǎng)絡(luò)降低了蒸發(fā)焓,HSSG可以實(shí)現(xiàn)2.9 kg m-2?h-1的高蒸發(fā)速率和80%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率。論文在線發(fā)表在Nano Letters上(Nano Letters 2020, 10.1021/acs.nanolett.0c01088)。

中科大俞書宏院士團(tuán)隊(duì):一種可持續(xù)生物合成仿生多層級(jí)太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生器
圖 1. 可持續(xù)生物合成多層級(jí)太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生器制備過(guò)程。(A)?通過(guò)氣溶膠輔助生物合成技術(shù)在木材基材上構(gòu)造玻璃微珠/細(xì)菌纖維素隔熱層。HSSG核心部件示意圖,玻璃微珠/細(xì)菌纖維素復(fù)合層可以阻止向下的熱流并允許水快速向上傳輸。同時(shí)頂部的碳納米管/細(xì)菌纖維素層可有效吸收光并產(chǎn)生蒸汽。(B)利用碳納米管(CNTs)的氣溶膠通過(guò)氣溶膠輔助的生物合成過(guò)程在隔熱層上構(gòu)造光吸收層。(C)?多層級(jí)太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖。(D)木質(zhì)基底結(jié)構(gòu)圖,木質(zhì)基底具有可以有效輸送水的篩管結(jié)構(gòu)。(E)玻璃微珠嵌入纖維素納米纖維的網(wǎng)絡(luò)中,形成了具有出色水傳輸能力的高效隔熱層。(F) CNTs與纖維素納米纖維纏結(jié),形成具有光吸收能力的水蒸發(fā)層。

 

中科大俞書宏院士團(tuán)隊(duì):一種可持續(xù)生物合成仿生多層級(jí)太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生器
圖 2. 可持續(xù)生物合成多層級(jí)太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生器工作原理。(A) HSSG核心部件示意圖,玻璃微珠/細(xì)菌纖維素復(fù)合層可以阻止向下的熱流并允許水快速向上傳輸。同時(shí)頂部的碳納米管/細(xì)菌纖維素層可有效吸收光并產(chǎn)生蒸汽。(B)效率與蒸發(fā)速率的關(guān)系圖,包含了本文報(bào)道的HSSG和文獻(xiàn)中的部分工作。?圖表中的X軸表示器件的蒸發(fā)速率,圖表中的Y軸表示器件的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率。

 

在該HSSG中,分層結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合材料在木質(zhì)基底上生長(zhǎng),并通過(guò)納米纖維的BC網(wǎng)絡(luò)與基底緊密結(jié)合。細(xì)菌纖維素納米纖維與木材的纖維素交聯(lián),形成緊密的滲透層,該滲透層在基底和BC納米復(fù)合材料層之間起著牢固的粘合劑的作用。這種結(jié)構(gòu)確保了從基底到BC納米復(fù)合材料層的快速水傳輸,并使它們牢固地附著在基底上。這為隔熱和水傳輸提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。玻璃微珠是微米級(jí)的空心玻璃球,其鑲嵌分布在細(xì)菌纖維素的三維網(wǎng)絡(luò)中,為隔熱和水輸送提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。在該器件的頂部,碳納米管和細(xì)菌纖維素納米復(fù)合材料層具有復(fù)雜的交錯(cuò)結(jié)構(gòu),其中碳納米管和纖維素納米纖維形成了納米尺度的雙重網(wǎng)絡(luò)。在這種雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,碳納米管網(wǎng)絡(luò)起著高效的光吸收劑的作用,而細(xì)菌纖維素納米纖維網(wǎng)絡(luò)則用于輸送水和減少蒸發(fā)的能量消耗?;住⒉A⒅?細(xì)菌纖維素層和碳納米管/細(xì)菌纖維素層的這種多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案旨在實(shí)現(xiàn)快速的水傳輸、熱管理、有效的光吸收和減少的汽化能耗。

此外,為了更方便研究蒸發(fā)速率,能量轉(zhuǎn)化效率和蒸發(fā)能量消耗之間的關(guān)系,該研究團(tuán)隊(duì)還提出了一種新穎的二維圖表分析方法,其中的指導(dǎo)線顯示了不同的蒸發(fā)焓。這種理論分析方法可用以分析太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生器器件中不同功能部件對(duì)蒸發(fā)速率的貢獻(xiàn)。

與其他太陽(yáng)能凈水技術(shù)相比,這種HSSG蒸汽發(fā)生器在蒸發(fā)率、能量轉(zhuǎn)化效率、可持續(xù)性和成本方面具有很大的優(yōu)勢(shì),有望發(fā)展成為未來(lái)水凈化中的新的技術(shù)途徑。

該研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院納米科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心等資助。

論文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.0c01088

https://acs.altmetric.com/details/85424078/news

相關(guān)新聞

微信
微信
電話 QQ
返回頂部