Mangel på ferskvann er en stadig mer alvorlig utfordring for samfunnsutviklingen. Det rapporteres at 29 % av verdens befolkning mangler trygt drikkevann, og etterspørselen etter rent vann øker fortsatt på grunn av befolkningsvekst og miljøproblemer. Rent vann assosiert med sanitærforhold er spesielt viktig i sammenheng med det nåværende utbruddet av koronavirussykdom (Neocoronavirus lungebetennelse). Solcelledrevet vannfordampning regnes som en av de mest lovende teknologiene for å produsere rent vann fra sjøvann og avløpsvann ved å bruke sollys som eneste energitilførsel. Teknologien er sterkt avhengig av solabsorbenter, som fungerer som fordampere for å konvertere solenergi til varme for å produsere damp. For å oppnå høye vannfordampningshastigheter og solvarmekonverteringseffektivitet, bør det ideelle materialet ha et bredt spekter av absorbans for effektivt å utnytte en stor del av solspekteret, lav termisk ledningsevne for å undertrykke varmetap og tredimensjonale (3D) porøse kanaler for effektiv vanntransport. Så langt har forskere utviklet forskjellige fototermiske materialer basert på karbon (f.eks. grafen eller karbon-nanorør), polymerer, metaller og metalloksider og deres hybrider, etc.
Forskere har jobbet hardt for å utforske og gjøre mange gjennombrudd de siste årene, så la oss lære fra flere aktuelle publikasjoner om forskningsfremgangen innen fototermisk rentvannsproduksjon de siste årene.
- Nature Communications: Planteblader inspirerer solcelledrevet, høyeffektiv vannrenser
Bladene til naturlige karplanter er avhengige av forskjeller i osmotisk trykk, transpirasjon og utskillelse for å produsere tonnevis med rent vann, drevet av sollys. Inspirert av dette har forskere i Chun Lis gruppe ved Qinghua University rapportert en sollysdrevet renser for effektiv vannrensing og -produksjon. Denne sollysdrevne renseren har en negativ temperaturresponsiv poly(N-isopropylakrylamid) hydrogel (PN) forankret på en superhydrofil melaminskumryggrad og belagt med en PNIPAm-modifisert grafen (PG) filtermembran på utsiden. Molekyldynamiske simuleringer og eksperimentelle resultater viste at den superhydrofile naturen til den relativt stive melaminryggraden betydelig akselererte svellings-/avsvellingshastigheten til PNPG-F-renseren. Under samme sollysintensitetsbestråling ga denne rasjonelt konstruerte strukturen 4.2 kg/m2/t oppsamling og > 99 % ionefjerning for en enkelt PNPG-F fra en saltlaketilførsel gjennom de synergistiske effektene av fordampning og drypptilsetning. Forfatteren ser for seg store potensielle bruksområder for dette svært effektive sollysdrevne systemet i ulike vannbehandlingsapplikasjoner. Studien ble publisert som en artikkel med tittelen «Plant leaves inspired sunlight-driven purifier for high-efficiency clean water production» i undertidsskriftet Nature Communications.
- Science Advances: Svært hydratiserbare polymernettverk av lysabsorberende hydrogeler for solvannsrensing
Solvannsfordamping for vannrensing er en lovende teknologi for ferskvannsproduksjon. Generering av soldamp er imidlertid energikrevende, noe som resulterer i lav vannproduksjon under naturlig dagslys. Derfor er det et stort behov for å utvikle nye materialer som kan redusere energibehovet for vannfordampning og akselerere solvannrensing. Professor Guihua Yus gruppe i Austin, Texas, USA, rapporterte om en høyt hydrert lysabsorberende hydrogel (h-LAH) sammensatt av polyvinylalkohol og kitosan som hydreringsryggraden og polypyrrol som lysabsorberen, som kan bruke mindre energi (< 50 % av vannvolumet) for å fordampe vann. Det ble demonstrert at økning av hydreringskapasiteten til h-LAH kan endre vanntilstanden og delvis aktivere vann, og dermed lette vannfordampning. h-LAH økte soldampproduksjonen til en rekordhastighet på ~3.6 kg/m2/t i 1 sol. h-LAH-basert solarvannfordampning viste også langsiktig holdbarhet og bunnhindrende egenskaper mot komplekse ioniske forurensninger. Forskningen ble publisert i en artikkel med tittelen "Planteblad-inspirert sollysdrevet renser for høyeffektiv produksjon av rent vann" i undertidsskriftet Science Advances.
- Angew: COF-materialer med superhydrofilisitet og lysabsorpsjon med bred bølgelengde for fototermisk vannfordampning
Den iboende hydrofobisiteten og begrensede lysabsorpsjonen av porøse organiske polymerer, spesielt i den nær-infrarøde (NIR) regionen, er to flaskehalser som hindrer deres anvendelse i solar steam generation (SSG). Forskere i Xiaoli Yans gruppe ved Jilin University har utviklet et kovalent organisk rammeverk (COF) basert på 1,4,5,8 tetrakis(phenylamino)antracene-9,10-dion (TPAD) (TPAD-COF), som er preget av superhydrofilisitet og bred lysabsorpsjon som dekker SSG fra hele NIR UV-/visible regionen. TPAD-COF, som et effektivt fototermisk konverteringsmateriale uten noen tilsetningsstoffer, viser utmerket vannfordampning på 1.42 kg/m2/t og oppnår en høy energikonverteringseffektivitet på 94 % under én solintensitetsbestråling. En ytterligere utvidelse av det TPAD-baserte COF-lysabsorpsjonsområdet ble oppnådd ved postsyntetisk modifisering av chelaterte BF2-molekyler. Systematiske kontrolleksperimenter og analyser bekrefter at hydrofilisiteten til det fototermiske konverteringsmaterialet spiller en mer dominerende rolle i de nåværende TPAD-baserte COF-ene som brukes til fototermisk vannfordampning. Forskningsarbeidet, med tittelen "Superhydrophilic2D Covalent Organic Frameworks as Broadband Absorbers for Efficient Solar Steam Generation," ble publisert i det internasjonale topptidsskriftet Angewise. Arbeidet ble publisert i det beste internasjonale tidsskriftet Angew. Chem. Int. Ed.
- JACS: Hydrofil-hydrofob dual-region COF/grafenhydrogel for fototermisk vannfordampning
Solar vannfordampning er en bærekraftig vannbehandlingsteknologi som kan bidra til å lindre global vannmangel. Imidlertid står denne teknologien overfor store utfordringer på grunn av det høye energiforbruket og den lave fordampningshastigheten ved vannfordampning. Gruppen til prof. Arne Thomas ved det tekniske universitetet i Berlin, Tyskland, rapporterer om et kovalent organisk rammeverk (COF)/grafen dual-region hydrogel som inneholder både hydrofile og hydrofobe områder i ett materiale gjennom en enkel in situ vekststrategi. Den hydrofile COF dekker en del av den hydrofobe grafenregionen. Ved presis kontroll av de to fukteområdene viser hybridhydrogelen effektiv lett høsting, justerbar fuktbarhet, optimert vanninnhold og redusert energibehov for vannfordampning. Som en solabsorber oppnår hydrogelen med to regioner en dampgenereringshastighet på opptil 3.69 kg/m2/t for 1 solinnstråling (1kw/m2), som kan sammenlignes med andre avanserte materialer. I tillegg kan denne hydrogelfordamperen brukes til å produsere drikkevann fra sjøvann og kloakk, noe som viser potensialet til vannbehandling. Forskningsarbeidet ble publisert i tidsskriftet JACS som "A Covalent Organic Framework/Graphene Dual-Region Hydrogel for Enhanced Solar-Driven Water Generation", JACS, et internasjonalt topptidsskrift.
- Science Advances: Vannliljebladstrukturinspirert høyeffektiv fototermisk vannfordamper
De siste årene har generering av grensesnittsoldamper vist et stort potensial for å oppnå høy energikonverteringseffektivitet for avsalting og behandling av avløpsvann. Høye fordampningshastigheter kan imidlertid ikke opprettholdes på grunn av den tilsynelatende uunngåelige akkumuleringen av begroing eller salt på solfangeren. Nedbrytningen akselereres når konsentrasjonen av oppløst stoff øker. For å løse dette problemet, designet Prof. Jia Zhus gruppe ved Nanjing University, inspirert av strukturen til vannliljeblader, en flertrinnsstruktur (Vannlilje-inspirert Hierarchical Structure (WHS) fototermisk-damp konverteringsenhet, som kan oppnå 80 % fototermisk konverteringseffektivitet ved behandling av 10 vekt% av høyt konsentrert saltvann og 30% saltvann som er verdt det. den fototermiske konverteringseffektiviteten reduseres ikke nevneverdig under behandlingen av høyt konsentrert saltlake og avløpsvann før fordampningen er fullført (dvs. "nullutslipp"), og overflaten forblir ren i Science Advance under tittelen "A Water-lily-inspired Hierarchical Design for Stable and Efficient Solar Evaporation of High Salinity Brine".
- Nanoenergi: Molybdendisulfid for fototermisk vannfordampning
Forskere i Lifeng Wans gruppe ved Deakin Universitys Institute for Frontier Materials har utviklet en serie heterostrukturer av overgangsmetalldisulfid og nitrogenrike nitrid for fordampning av solvann via delvis krystalltransformasjon. Spesielt viser disse avanserte 2D-heterostrukturene forbedret spektral absorpsjon i det infrarøde området og utmerket kjemisk stabilitet i forskjellige løsninger, inkludert vann, syrer og baser. Enda viktigere er det at MoS2-Mo5N6/melaminskum ( MF) solvarmeinnretningen viser høy fordampningshastighet (2.31 kg m⁻²h⁻¹) og konverteringseffektivitet (106.6 %), som er henholdsvis 1.4 og 4.7 ganger høyere enn for MoS2/MF- og MF/vann-solvarmeinnretninger. Dette arbeidet gir en serie avanserte 2D-2D TMD-er-nitrogenrike nitrid-heterostrukturer med utmerket fototermisk ytelse for generering av solvann. Dette arbeidet ble publisert i Nano Energy, et anerkjent internasjonalt tidsskrift, som «Avanserte 2D-2D heterostrukturer av overgangsmetalldikalkogenider og nitrogenrike nitrider for solvannsproduksjon».
Solar fototermisk vannfordampningsteknologi forventes å løse den globale mangelen på rent vann, det som må løses nå er lavkostnadspreparering av fototermiske materialer, høyeffektiv drift, samt stabilitet og portabilitet for bruk i praktiske applikasjonsmiljøer, og ser frem til flere resultater i fremtiden til tidlig fordel for hele menneskeheten!
For mer informasjon om melaminskum, vennligst kontakt oss på [email protected] eller send oss en telefonsvarer: +86-28-8411-1861.
Noen bilder og tekster er gjengitt fra Internett, og opphavsretten tilhører den opprinnelige forfatteren. Hvis det er noen brudd, vennligst kontakt oss for å slette.