论文快递2402|山东大学研究论文: AgMXene 纳米复合材料为光热中心嵌入壳聚糖基水凝胶的构建及太阳能产蒸汽和水净化应用

文摘   2024-12-13 00:01   北京  


2024年2月,《ACS Applied Energy Materials》期刊在线发表了题为“Fabrication of Chitosan-Based Hydrogel Embedded with Antibacterial AgMXene Nanocomposites as Photothermal Centers for Solar Steam Generation and Purification”的研究性论文。山东
大学Shuyan Hao为论文第一作者王凤龙为论文通讯作者。《ACS Applied Energy Materials》期刊2023年影响因子为5.5,是一本发表原创研究的跨学科期刊,研究方向涵盖材料,工程,化学,物理和生物学方面与能源转换和存储相关的可持续应用。该期刊在储能应用方面的研究课题包括固态电池、燃料电池、超级电容器和氧化还原液流电池的电极和膜材料。能量转换应用的主题包括用于热电、光伏和光电合成电池的新型无机、杂化、催化和/或有机材料。

第一作者:Shuyan Hao

通讯作者:王凤龙(山东大学) Lun Dong(山东大学)

        https://doi.org/10.1021/acsaem.3c02894           

识别上方二维码查看全文


太阳能驱动界面蒸汽发电作为一种普遍存在的光热能转换过程,作为传统的体加热蒸发技术的潜在替代方案,得到了广泛的关注。然而,微生物污染和生物膜堵塞经常发生,这极大地阻碍了该技术的实际应用。在此,我们介绍了一种高性能和抗菌的太阳能蒸汽发生器,通过将二维(2DAgMXene纳米复合材料纳入三维(3D)壳聚糖水凝胶网络,以生成3D AgMXene@壳聚糖水凝胶(表示为AM/CH)蒸发器。由于具有固有杀菌能力的壳聚糖水凝胶平台和AgMXene纳米复合材料的协同作用,3D AM/CH在模拟阳光照射下可以完全杀死大肠杆菌和金黄色葡萄球菌,保证生产无微生物的饮用水。利用高效的光热转换能力和实际水输送3d网络,AgMXene@壳聚糖水凝胶蒸汽发生器表现出有趣的太阳能界面蒸汽生成性能,在一太阳照射下太阳能蒸发率和蒸发效率1.59 kg2h193.00%。此外,AM/CH蒸发器还显示出了令人满意的海水淡化能力、优良的染料分子提纯能力和自清洗性能。这些发现表明,AM/CH的设计概念可以为太阳能热能转换和清洁供水提供多用途平台



全球水资源短缺问题日益严重,海水淡化作为解决水资源危机的重要途径,受到广泛关注。本研究旨在探索更高效、可持续的海水淡化技术。传统海水淡化技术如蒸馏法和反渗透法存在能耗高、效率低等问题,限制了其广泛应用。AgMXene作为一种新型复合材料,结合了银(Ag+)的抗菌性能和MXene的优异导电、导热性能,在海水淡化领域展现出巨大应用潜力。壳聚糖作为一种天然高分子材料,具有良好的生物相容性和环保优势,在海水淡化领域也有一定应用。本研究通过将其与AgMXene结合,旨在提高海水淡化的效率和可持续性。为了进一步提高海水淡化的性能,本研究设计了基于壳聚糖的AgMXene 3D网络结构,通过优化结构来提高材料的导热性能和抗菌性能。本研究旨在制备一种高性能的海水淡化材料,通过创新技术提高海水淡化的效率和可持续性,为实际应用提供有力支持。


1.研究将二维(2D)AgMXene纳米复合材料与三维(3D)壳聚糖水凝胶网络相结合,制备出3D AgMXene@Chitosan水凝胶(简称AM/CH)蒸发器。这种创新性的材料组合结合了壳聚糖水凝胶的固有杀菌能力和AgMXene纳米复合材料的光诱导抗菌效应。
  2.AM/CH蒸发器在模拟太阳光照射下能够完全杀死大肠杆菌和金黄色葡萄球菌,保证了生产出的水不含微生物,从而实现了饮用水的安全无菌生产。
  3.除了海水淡化外,AM/CH蒸发器还表现出对染料污染水的净化能力,以及高容量的海水离子脱盐能力,显示了其在多种水处理应用中的潜力。



图1 (a)AgMXene纳米片制造工艺示意图。Ag0.2MXene0.8的(b) SEM图像和Ag0.2MXene0.8纳米复合材料的(c) Ag和(d) Ti的EDS元素映射。(e)MXene的透射电镜图像。(f)Ag0.2MXene0.8纳米复合材料的透射电镜图像。插入(f)的放大图像显示了银纳米颗粒尺寸分布的直方图。(g)Ag0.2MXene0.8的HRTEM图像

2。纯MXeneAg0.2MXene0.8Ag0.4MXene0.6Ag(a) XRD模式。(b)调查了MXeneAg0.2MXene0.8纳米复合材料的扫描XPS光谱。(c) MXene(d)Ag0.2MXene0.8纳米复合材料的核心级Ti XPS光谱。(d)Ag0.2MXene0.8中的Ti元素的核心级XPS光谱。(e)Ag0.2MXene0.8Ag元素的核心级XPS谱。(f)MXeneAg0.2MXene0.8Ag0.4MXene0.6和纯Ag的紫外可见吸收光谱



3(a)照射下MXeneAg0.2MXene0.8Ag0.4MXene0.6AgPBS的温度变化。(b)MXeneAg0.2MXene0.8Ag0.4MXene0.6AgPBS的红外热图像。用MXeneAg0.2MXene0.8Ag0.4MXene0.6Ag对大肠杆菌(c)和金黄色葡萄球菌(d)的抗菌比例。(e)用纯MXeneAg0.2MXene0.8Ag0.4MXene0.6和纯Ag15 min或黑暗照射下处理大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的扩散平板结果。

4.(a)AM/CH制造工艺示意图。壳聚糖水悬液直立放置(b)和倾斜放置(c).的照片(d)交联处理后壳聚糖水悬液的照片。(e)冷冻干燥的AM/CH扫描电镜图像。(f)壳聚糖粉、冻干的CHM/CHAM/CH XRD模式。(g)AM/CHCH揉捏而成的各种形状。

  图5总结了不同材料比例对水凝胶蒸发器的温度的影响:材料分别为Mxene,Ag,MXeneAg0.2MXene0.8Ag0.4MXene0.6以及PBS,如图表示混合的水凝胶效果明显由于其他单个材料。
  图5总结了在有光和无光条件下,该水凝胶对大肠干菌和黄金色葡萄球菌的曲菌效率,结果发现该水凝胶具有优异的抗菌效率。

5. (a)0.1W.cm-2太阳照射下AM/CHM/CHCHPBS缓冲溶液对大肠杆菌(a)和金黄色葡萄球菌(b)的抗菌对比0.1W.cm-2太阳照射下或黑暗下AM/CHM/CHCHPBS处理大肠杆菌(c)和金黄色葡萄球菌(d)的扩散平板结果。

60.1W.cm-1太阳照射下AM/CH蒸发器下的太阳能蒸汽产生性能。(a)水蒸发测量系统的示意图表示。(b)AM/CH的水接触角测量。比较了在模拟阳光照射下,AM/CH蒸发器和CH蒸发器的水质量(c)、蒸发速率(d)和表面温度(e)的变化。(f)AM/CH蒸发器和其他Mxene基蒸发器的蒸发效率和蒸发速率的比较。

图7该水凝胶对不同金属离子以及染料的去除效率:该水凝胶同时具有优异的去除金属离子的能力以及去除染料等有机物质的能力。

7(a)水蒸发收集器的设计示意图。(b)水蒸发收集器的数字图像。(c)使用AM/CH蒸汽发生器纯化前后Na+Mg2+K+Ca2+离子浓度的变化。含甲基橙(d)和亚甲基蓝(e)的受污染水样在净化过程前后的吸收强度曲线和照片。



本文提出了一种简便可行的制备具有固体热能转化能力的AgMXene@壳聚糖水凝胶的制备方法。通过综合调节水蒸发效率和抗菌活性,纳米复合材料优化质量比获得。由于加入AgMXene纳米复合材料作为添加剂,并通过氢键交联壳聚糖链,获得的基于AM/CH的太阳能蒸汽发生器表现出优异的杀菌效果、显著的太阳能转换效率和令人印象深刻的清水生产能力。利用特殊的光热能转换能力AgMXene光热中心和高效的水运输在3d网络,太阳能蒸汽发生器展示了一个杰出的蒸发率1.59 kg2h1太阳能蒸发效率93.00%,超过大多数MXene太阳能蒸发器之前报道。此外,AM/CH蒸发器不仅表现出显著的蒸发效率和杀菌能力,而且为各种纯化方案,包括海水淡化、染料分子纯化和无病原体产水




Hao, ShuyanChen, XintongZhao, Tingting.et al.Fabrication of Chitosan-Based Hydrogel Embedded with Antibacterial AgMXene Nanocomposites as Photothermal Centers for Solar Steam Generation and Purification.ACS Applied Energy Materials.

7, 3 (2024) https://doi.org/10.1021/acsaem.3c02894

  
识别二维码,
阅读英文原文


翻译与资料整理:徐泽恩

编辑:环境与能源功能材料


徐泽恩(阳光净水课题组)
【资料整理】徐泽恩:资源与环境硕士研究生,研究方向为生物基环境功能材料在水污染控制工程领域应用,参与浙江省自然科学基金项目1项。




识别上方二维码查看全文



识别上方二维码查看全文




识别上方二维码查看全文



识别上方二维码查看全文




识别上方二维码查看全文




识别上方二维码查看全文


识别上方二维码查看全文


识别上方二维码查看全文

免责声明:

1、公众号分享国际环境与能源功能材料【生物质(壳聚糖、纤维素、木质素、海藻酸等)功能材料、新型吸附材料、碳基(石墨烯、碳纳米管、碳量子点、生物炭、富勒烯等)材料、MOFs/HOFs/COFs材料、光催化材料、Fenton材料、产氢材料、太阳能蒸发材料等】相关前沿学术成果,以及其它相关数据处理方法、论文写作和论文投稿等信息,无商业用途。本公众号尊重原创和知识产权人的合法权利。如涉及侵权,请立刻联系公众号后台或发送邮件,我们将及时修改或删除。

2、部分图片和资源来源网络或转摘其它公众号!凡注明"来源:xxx(非本公众号)"的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不代表本公众号赞同其观点和对其真实性负责,且不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。
3
、外文文献翻译目的在于传递更多国际相关领域信息。外文文献由课题组研究生翻译,因学识有限,难免有所疏漏和错误,请读者批判性阅读,也恳请大家批评指正。

4、欢迎环境与能源材料相关研究成果提供稿件,环境与能源功能材料公众号将会及时推送。联系邮箱:99282304@qq.com

5、欢迎壳聚糖相关研究人员加入壳聚糖技术交流群。联系微信号:18358609860
课题组主页:

https://www.x-mol.com/groups/qiwang

https://www.x-mol.com/groups/zhuhuayue
 

识别上方二维码访问课题组主页


 

点击阅读原文可以链接原文

MOFs帮助环境
推送MOFs基环境功能材料在环境污染控制领域的研究进展。
 最新文章