從自然可持續(xù)性的角度出發(fā),制備一種導(dǎo)電和磁性的碳?xì)饽z

太陽能驅(qū)動的界面蒸發(fā)(SIE)是一種很有前途的獲取潔凈水的方法,但在海水中存在嚴(yán)重的鹽垢和長期性能差的問題。本文,中科院蘭州化物所張俊平研究員團(tuán)隊在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊發(fā)表名為“Electrically Conductive Carbon Aerogels with High Salt-Resistance for Efficient Solar-Driven Interfacial Evaporation”的論文,研究從自然可持續(xù)的角度報道了一種高性能的抗鹽SIE系統(tǒng)。以廢紙為原料,對Fe3O4改性纖維素進(jìn)行炭化制備導(dǎo)電和磁性的碳氣凝膠,利用O2活化其外表面,形成Janus超親水/超疏水結(jié)構(gòu)。

氣凝膠具有大孔骨架的超親水性外表面可確保超快速且充足的水供應(yīng)和鹽分?jǐn)U散,而超疏水性內(nèi)部則是阻礙水/鹽滲透的絕熱體。得益于高的太陽能吸收率(?97%),低的熱導(dǎo)率,獨特的Janus結(jié)構(gòu)以及光熱/電熱效應(yīng),氣凝膠在模擬海水中表現(xiàn)出高蒸發(fā)率(2.1 kg m?–2?h?–1)。氣凝膠具有以下卓越的長期防鹽性能:

(i)即使在10 wt%的NaCl溶液中,在模擬海水中連續(xù)蒸發(fā)> 20 d也不會降解,

(ii)在不補(bǔ)充海水的情況下連續(xù)蒸發(fā)> 50 h。

此外,氣凝膠可以從復(fù)雜的廢水中完全去除重金屬離子,可溶性有機(jī)物和油。這項研究為通過海水和復(fù)雜廢水的SIE獲得清潔水提供了另一種方法。

高耐鹽性的導(dǎo)電碳?xì)饽z,實現(xiàn)太陽能驅(qū)動的界面蒸發(fā)
圖1.(a)從自然可持續(xù)性的角度設(shè)計使用廢紙的高性能p-MC SIE系統(tǒng)。 (b)被磁鐵吸起的MC氣凝膠的照片。 (c,d)MC氣凝膠的SEM圖像。
高耐鹽性的導(dǎo)電碳?xì)饽z,實現(xiàn)太陽能驅(qū)動的界面蒸發(fā)
圖2.(a)XPS光譜和(b)MWP和MC氣凝膠的XRD圖譜。 (c)MWP和MC氣凝膠的磁曲線。 (d)MC氣凝膠在不同應(yīng)變下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 (e)50%應(yīng)變的MC氣凝膠的循環(huán)壓縮測試。 (f)MC氣凝膠在50%應(yīng)變時的最大應(yīng)力和壓縮循環(huán)的歷史。 (g)使用MC氣凝膠對LED燈進(jìn)行應(yīng)變控制 (h)磁鐵控制的開關(guān)。
高耐鹽性的導(dǎo)電碳?xì)饽z,實現(xiàn)太陽能驅(qū)動的界面蒸發(fā)
圖3.(a)干和濕p-MC氣凝膠的UV-vis-NIR吸收光譜。 (b)p-MC氣凝膠的外表面和內(nèi)部潤濕性。 (c)使用在頂部表面具有相反潤濕性的p-MC氣凝膠進(jìn)行SIE的示意圖。
高耐鹽性的導(dǎo)電碳?xì)饽z,實現(xiàn)太陽能驅(qū)動的界面蒸發(fā)
圖4.(a)在不同光照下,p-MC氣凝膠的水量變化和(b)隨時間變化的頂表面溫度。(c)在太陽光照下p-MC氣凝膠頂表面的紅外圖像。(d)不同光照下p-MC氣凝膠的蒸發(fā)速率和光熱效率。
高耐鹽性的導(dǎo)電碳?xì)饽z,實現(xiàn)太陽能驅(qū)動的界面蒸發(fā)
圖5.(a)在1個陽光照射下,3.5 wt%NaCl溶液的質(zhì)量隨時間變化。 (b)在1個陽光照射下在3.5 wt%NaCl溶液中連續(xù)SIE期間p-MC氣凝膠的蒸發(fā)速率。 (c)在3.5 wt%的NaCl溶液中進(jìn)行20 d SIE測試期間,在每天1個陽光下連續(xù)照明6 h的情況下,在20 d SIE測試期間蒸發(fā)速率和光熱效率的變化。 (d)20 d SIE測試期間的p-MC氣凝膠照片 (e)20 d SIE測試之后的氣凝膠的SEM圖像。 (f)與最近報道的高性能SIE系統(tǒng)相比,p-MC氣凝膠具有耐鹽防污性能。 (g)p-MC氣凝膠外表面和內(nèi)部的動態(tài)潤濕行為。 (h)p-MC氣凝膠的防鹽機(jī)理示意圖。
高耐鹽性的導(dǎo)電碳?xì)饽z,實現(xiàn)太陽能驅(qū)動的界面蒸發(fā)
圖6.(a)在p-MC氣凝膠存在下,在1次日光照射下,水相中含有3.5 wt%NaCl的模擬復(fù)雜廢水(甲苯/水= 1/9,v / v)的質(zhì)量變化。 (b)使用MC氣凝膠從用MB染色的海水中去除用油紅O染色的甲苯。 (c)廢水和冷凝水的氣相色譜圖。 (d)0.8 ppm MB水溶液和冷凝水的照片和紫外可見光譜。 (e)冷凝水中的離子濃度。

 

總之,從自然可持續(xù)性的角度出發(fā),制備了一種導(dǎo)電和磁性的碳?xì)饽z,用于高性能耐鹽SIE水凈化。碳?xì)饽z顯示出高度多孔的結(jié)構(gòu),低密度,出色的機(jī)械性能,高的太陽吸收率,低的熱導(dǎo)率,獨特的Janus結(jié)構(gòu)以及光熱/電熱效應(yīng)。因此,氣凝膠提供了一種通過海水和復(fù)雜廢水的SIE獲得清潔水的替代方法。該研究為設(shè)計用于實際脫鹽和水凈化的高級太陽能蒸發(fā)器提供了新途徑。

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