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    蘇州納米所李清文、張永毅CEJ:3D互穿碳納米管水凝膠的高效光熱水蒸發

      太陽能界面水蒸發技術具有可持續、低功耗和環境友好等特性,通過該技術生產的淡水有望緩解工業和人口爆炸性增長帶來的水資源短缺問題。近年來,研究人員發展的各類光熱材料和光熱結構,極大地提升了水由液態向氣態轉變。然而,光熱蒸發系統面臨著低效的熱管理、耐鹽性較差及高蒸發焓等問題,其應用仍具有較大的挑戰。 

      近年來,中科院蘇州納米所李清文研究員、張永毅研究員在碳納米管(CNT)的一維、二維、三維結構的基礎研究和產業化應用方面均取得了較大進展。在光熱水蒸發領域,利用CNT薄膜和CNT海綿構筑的梯度熱效應實現了蒸發系統的高效熱管理(Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1606220; ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 19109-19116);通過設計雙通道水傳輸結構,有效解決了蒸發系統的表面鹽結晶問題ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 13, 15549–15557)。 

      近期團隊提出通過滲透交聯的方式,將聚乙烯醇、聚乙烯亞胺和納米碳黑附著在三維多孔的碳納米管骨架上,構建了一種3D互穿的拓撲凝膠結構。通過結構分析發現,復合凝膠表面存在較薄的水層,同時內部分布著豐富的毛細水傳輸通道,實現了快速的毛細水傳輸。在室溫環境中,構筑的CNT復合凝膠表現出快速脫水,通過低場核磁和拉曼光譜信號發現復合凝膠內部存在較多的活化界面水。復合凝膠內水的冷凍和汽化過程中熱量分析表明,CNT凝膠內部的界面水比例57%,結合水比例降低到6.9%,表明其內部形成了弱的水合狀態(包括水-,-聚合物相互作用),復合凝膠的等效蒸發焓降低到1078.7J g-1。形成連續光熱網絡的CNT復合凝膠,在1sun的光強下蒸發速率3.55kg m-2 h-1,光熱轉換效率達到92.0%。更重要的是,與目前的研究相比,這種水凝膠在弱太陽光和高濕度條件下表現出優異的蒸發性能,具有較大的實際水處理潛力。同時,該復合凝膠對染料、海水以及重金屬污水均能實現高效純化并達到飲用水標準。在自制的3D打印裝置內,CNT復合凝膠在陰天或晴天的產水量達到6.3~8.6 kg m-2。 

      相關工作以Boosting solar-powered interfacial water evaporation by architecting 3D interconnected polymetric network in CNT cellular structure為題,發表于Chemical Engineering Journal。論文第一作者是中科院蘇州納米所博士生趙黎明,通訊作者為張永毅研究員和李清文研究員。 

      1. 3D互穿CNT凝膠的設計方案 

      2. 水凝膠的形貌和孔結構分析 

      3. 水凝膠水合狀態分析 

      4. 水凝膠的光熱轉換和光熱水蒸發性能 

      5. CNT水凝膠實際場景下的蒸發性能 

    論文鏈接


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