北石化《Carbon》:NH2-MIL-88B/Ta4C3TX/石墨烯气凝胶,用于可持续废水处理和热能储存

科技   2024-11-25 16:32   河北  

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成果简介


要解决当代社会面临的环境污染和能源短缺问题,迫切需要多功能、高性能的材料。本文,北京石油化工学院Guangjian Xing等研究人员在《Carbon》期刊发表名为“Synergistic NH2-MIL-88B/Ta4C3TX/graphene aerogels for sustainable wastewater treatment and thermal energy storage”的论文,研究提出了创新的NH2-MIL-88B/Ta4C3TX/石墨烯气凝胶,这种气凝胶在利用太阳能进行光催化和热能储存方面表现出卓越的性能。

这些气凝胶是通过水热法和冷冻干燥法合成的,具有独特的结构特征,包括分层多孔结构、低密度和大比表面积。此外,NH2-MIL-88B、Ta4C3TX MXene 和气凝胶基质的协同作用还能产生显著的理化特性,如高阳光吸收率和与太阳光谱相匹配的最佳光带隙。这些特性使气凝胶能够光降解各种高浓度染料和抗生素药物溶液。刚果红的光降解效率为 75.57%,亚甲基蓝的光降解效率为 61.56%,盐酸四环素的光降解效率为 58.57%。此外,这些气凝胶对各种染料和药物具有显著的吸附能力。此外,当相变材料聚乙二醇被成功整合到气凝胶中时,气凝胶表现出卓越的热能储存性能和防泄漏能力。光热转换效率高达 90.15%,相焓为202.13Jg-1,焓效率为 98.55%。这项研究为开发多功能气凝胶以应对污水处理和能源短缺的挑战提供了宝贵的见解。



图文导读


方案一、(a)Ta4C3TX、(b)NH2-IL-88B和(c)NH2-MIL-88B/Ta4C3TX/GAs的制备程序。


图1、(a,b)不同放大倍数的TMGA-3 FESEM图像,插图:TMGA-3的数码照片,(c)EDS光谱,以及(d-f)TMGA-3元素图谱。


图2. (a) XRD patterns and (b) FTIR spectra of NH2-MIL-88B, Ta4C3TX, and TMGA-3; XPS spectra of TMGA-3: (c) survey, (d) C 1s, (e) Fe 2p, and (f) Ta 4f.


图3. (a) UV-Vis DRS and (b) plots of (αhv)2 vs. hv for TMGA aerogels.


图4、(a)CR、(b)MB和(c)TC-HCl的紫外-可见光谱随照射时间的变化,TMGA对(d)CR、“e”MB和“f”TC-HCl降解的光催化活性,以及相应的准一级动力学曲线(g-i)。


方案2、TMGA在可见光照射下染料/药物的光降解机制。


图5。(a) PEG-6000和TMGP的DSC热谱图,(b)TMGP的实验计算熔融和结晶焓,(c)50个循环的DSC热图,(d)相变焓和(e)从循环次数间隔为5的热循环中获得的TMGP的温度,以及(f)热循环试验前后获得的TMGP-FTIR光谱。


图6、(a) TMGP在60°C加热过程中记录的红外热图像,以及(b)纯PEG-6000和TMGP复合材料在80°C等温加热过程中的数码照片。



小结


综上所述,研究在成功制备 NH2-MIL-88B 纳米棒和 Ta4C3TX 纳米片的基础上,采用水热法和冷冻干燥技术合成了 NH2-MIL-88B/Ta4C3TX/ 石墨烯气凝胶。这些成分的协同作用为气凝胶带来了多孔的微观结构,气凝胶具有大表面积、优异的阳光吸收能力和最佳的光带隙。气凝胶对各种高浓度有机污染物溶液(包括阴离子和阳离子染料以及抗生素药物)的光降解性能令人印象深刻。对 CR、MB 和 TC-HCl 的光降解效率分别为 75.57%、61.56% 和 58.57%。此外,这些气凝胶对各种染料和药物具有出色的广谱吸附能力,对 CR、MB 和 TC-HCl 的吸附容量分别达到 574.04、334.30 和 218.54 mg g-1。与相变材料 PEG 结合使用时,气凝胶的熔化焓为 193.59 至 202.13 J g-1,焓效率高达 98.55%。此外,这些气凝胶还能有效地将太阳能转化为热能并高效地释放出来,通过可逆相变表现出卓越的长期稳定性和可靠性。值得注意的是,这些气凝胶具有优异的抗 PEG 泄漏性能。本研究中引入的NH2-MIL-88B/Ta4C3TX/ 石墨烯气凝胶为开发可最大限度利用太阳能的多功能材料提供了新的见解,这些材料可用于环境和能源领域的各种应用。


文献:

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119823


信息来源:材料分析与应用




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