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余桂华《Angew》:通过自组装模板制备高弹性互连多孔水凝胶蒸发器,中国化工网,okmart.com
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余桂华《Angew》:通过自组装模板制备高弹性互连多孔水凝胶蒸发器
2021年11月17日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

人口的增加、污染和自然灾害的频繁发生加剧了全球水资源短缺,导致超过20亿人生活在高度缺水压力之下。因此,迫切需要开发具有高淡水产量和低能耗的经济高效的海水淡化和水处理技术。界面太阳能驱动的水蒸发允许在自然阳光(≤ 1kW m-2)下以低成本和简单的设置进行高效的海水淡化和水净化,为全球水资源短缺提供了可持续的解决方案中国化工网okmart.com。理想情况下,界面太阳能蒸发器应具有较高的太阳能热转化率,蒸发表面的有效热量利用,以及持续水蒸发的快速供水。许多光热材料已应用于太阳能蒸发器,包括窄带隙半导体、等离子体纳米粒子、共轭聚合物和碳基材料。其中,使用多孔水凝胶的界面蒸发已证明在自然阳光下具有高效的太阳能蒸发性能,可确保提供负担得起的清洁水供应。然而,目前实现具有耐用机械性能的可扩展和即用型水凝胶材料仍然具有挑战性。


鉴于此,美国德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授课题组利用自组装模板(SAT)作为一种简单而有效的方法来制造具有优异脱盐性能的大型弹性水凝胶蒸发器(IPHs)。具有低曲折度和可调孔径的水凝胶的高度互连的多孔结构使水传输速率具有高度的可调性。多孔水凝胶具有优异的弹性,易于加工,经过数百次卷曲、折叠和扭曲后形状恢复迅速,并表现出高效和稳定的蒸发,蒸发率为~2.8 kg m-2 h-1和~90%的太阳能到蒸汽效率。预计这种SAT策略不需要冷冻干燥,将加速水凝胶太阳能蒸发器的工业化以实现实际应用。相关工作以“Highly Elastic Interconnected Porous Hydrogels through Self-Assembled Templating for Solar Water Purification”为题发表在国际顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》上。


IPHs的制备和表征

IPHs的合成的不需要冷冻干燥。首先,将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)颗粒加载到含有聚合物骨架、交联剂和引发剂的水凝胶前体溶液中。然后,在凝胶化过程中,PMMA颗粒自组装成致密、密堆积的模板,其中相邻的颗粒相互接触。最后,PMMA模板通过溶剂洗涤除去。IPH具有3D高互连性,孔隙率为~71%。与冷冻干燥制成的相对脆的水凝胶相比,IPH具有更好的机械性能,并且在变形后可以快速恢复到原来的形状(图1)。当施加80kPa的应力时,IPH的可恢复压缩应变达到80%以上。IPH密度低至为0.02 g cm-3,干燥IPH的轻巧便携特性促进了水凝胶蒸发器的易于储存和运输,以实现实际应用。

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图1 IPHs的制备和表征


IPH中的可调水传输

SAT制备的水凝胶的孔径可以通过加载不同尺寸的牺牲颗粒来精确控制。通过选择直 ~5 µm、~75 µm、~170 µm 和 ~390 µm的PMMA颗粒,合成了孔径等于粒径的IPH,表示为IPH1到IPH4。随着孔径的增加,IPH的饱和水含量(Qs)(完全溶胀的水凝胶中的水与干凝胶中的水的质量比)可以在6到35 g/g之间调整(图2)。对于IPH1到IPH4,水传输速率的三个数量级的可调性分别从0.62到621.9 g min-1,表明强烈的孔径依赖性。实验结果证明,通过改变孔径可以控制曲折度和水通路,从而使IPH中的水传输速率高度可调。

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图2 IPH中的可调水传输


IPH蒸发器的太阳能吸收、热量管理和稳定水蒸发性能

通过将商业化的活性炭颗粒加载到水凝胶前体溶液中作为太阳能吸收剂,IPH在200至2500 nm的宽波长范围内表现出出色的太阳能吸收率(~97.5%)(图3)。IPH蒸发器的光热和热定位特性是通过跟踪一次阳光照射下蒸发器表面和底部大量水的温度来评估的。表面温度在前10分钟内迅速升高,并在大约30分钟后达到平衡温度,而散装水下面保持在室温左右。这种温差 (~6 °C) 表明IPH蒸发器具有良好的热定位。IPH蒸发器的太阳能蒸汽产生性能在一个阳光下进行评估。IPH 1、2、3和4的水蒸发率测量为~ 2.4、2.8、2.0和1.8 kg m-2 h-1(图4)。电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)用于测量使用IPH2进行太阳能脱盐前后原始海水样品中主要离子(Na+、K+、Ca2+、Mg2+)的浓度。所有四种盐离子都减少了三个数量级以上。此外,与用于实际太阳能海水淡化的机械性能有限的普通果冻状水凝胶不同,通过SAT方法制备的IPH2显示出出色的机械耐久性。在滚动、折叠和扭曲100次后,IPH2保持完整并呈现恒定的蒸发率,表明在易于处理、储存和运输方面具有实际应用的潜力。

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图3 IPH蒸发器的太阳能吸收和热量管理

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图4 IPH蒸发器的稳定水蒸发性能

小结:作者通过简单但可扩展的SAT方法无需冷冻干燥制备了分层互连的多孔水凝胶(IPH)蒸发器。通过改变孔径来控制曲折度和水通路,IPH中的水传输速率是高度可调的。优化的IPH蒸发器具有约90%的太阳能到蒸汽效率,而增强的弹性提供机械耐久性,使水能够高效蒸发。凭借易于扩展和出色的海水淡化性能,通过SAT制备的IPH蒸发器显示出实用的太阳能海水淡化系统克服全球水资源短缺的巨大潜力。这种SAT策略可推广到其他水凝胶材料,可以定制具有附加特性的能量存储、传感和组织工程应用。


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