论文快递2406|青岛大学王莉莉团队NML研究论文:具有垂直通道MXene 沉积物基聚乙烯醇/海藻酸钠气凝胶蒸发器高效太阳能蒸发

文摘   2024-11-18 00:11   山东  


20246,《Nano-micro letters》期刊在线发表了题为“MXene Sediment-Based Poly(vinyl alcohol)/Sodium Alginate Aerogel Evaporator with Vertically Aligned Channels for Highly Efcient Solar Steam Generation”的研究性论文。青岛大学Tian WangMeng LiHongxing Xu共同为论文第一作者,吴小虎(山东高等技术研究院)、宋振华(青岛药学院),王莉莉(青岛大学)和张宪胜(青岛大学)为论文共同通讯作者。《Nano-micro letters》期刊2023年影响因子为31.6,是一本开放获取期刊,专注于从科学到技术等纳米或微米结构和系统的各个方面。

第一作者:

Tian Wang Meng Li Hongxing Xu

通讯作者:

吴小虎(山东高等技术研究院)

宋振华(青岛药学院)

王莉莉(青岛大学)

张宪胜(青岛大学)

        https://doi.org/10.1007/s40820-024-01433-1


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太阳能驱动的海水界面蒸发由于其绿色和环保的特性,被认为是缓解新出现的淡水危机的一种有效方法。然而,开发一种具有高效率、稳定性和耐盐性的蒸发器仍然是一个关键的挑战。MXene作为一种光热材料,具有100%的内部光热转化率。然而,用单层制备MXene的工艺,会产生大量的”MXene沉积物(MS)。文章选择MXene沉积物作为光热材料,创新地设计了一种垂直对齐孔的三维MXene沉积物/聚(乙烯醇)/海藻酸钠气凝胶蒸发器。垂直多孔结构使蒸发器能够改善水的输送、光捕获和高蒸发率。棉签和聚丙烯分别作为水通道和载体,从而制造自泡蒸发器。蒸发器在一太阳照射下蒸发率为3.6kgm−2h−1,在室外阳光照射7h后,在凝结收集装置中收集18.37kgm−2的淡水。该蒸发器还显示出优异的耐油性和耐盐性。本研究充分利用了废物质谱,使自泡沫蒸发装置能够用于淡水收集。



太阳能驱动的海水界面蒸发由于其绿色和环保的特性,被认为是缓解新出现的淡水危机的一种有效方法。然而,开发一种具有高效率、稳定性和耐盐性的蒸发器仍然是一个关键的挑战。MXene作为一种光热材料,具有100%的内部光热转化率。然而,用单层制备MXene的工艺,会产生大量的”MXene沉积物(MS)。文章选择MXene沉积物作为光热材料,创新地设计了一种垂直对齐孔的三维MXene沉积物/聚(乙烯醇)/海藻酸钠气凝胶蒸发器。垂直多孔结构使蒸发器能够改善水的输送、光捕获和高蒸发率。棉签和聚丙烯分别作为水通道和载体,从而制造自泡蒸发器。蒸发器在单日照射下蒸发率为3.6kgm−2h−1,在室外阳光照射7h后,在凝结收集装置中收集18.37kgm−2的淡水。该蒸发器还显示出优异的耐油性和耐盐性。本研究充分利用了废物质谱,使自泡沫蒸发装置能够用于淡水收集。


1.创新性地利用MXene沉积物作为海水淡化的光热材料。
2.受天然木材蒸腾过程的启发,创新性地制备了一种具有垂直排列通道的三维MXene沉积物基气凝胶作为太阳能蒸发器。

3.具有独特的结构和组成,具有优良的光热转化率、蒸发速率、耐盐性和抗生物//特殊环境。



1 PSMS气凝胶蒸发器的制作工艺

2  PSMS气凝胶的结构表征(a9一小时后底部收集的高浓度MS的形状。(bMSTi3AlC2)的TEM图谱。(cMSm-MXeneMXene)的TEM图谱。(d-f)在扫描电镜下观察的PSMS气凝胶。(g-i)在扫描电镜下观察到纵向上的PSMS气凝胶。(j PSMS气凝胶的表面-切片EDS映射图像。

3 PSMS气凝胶中不同组分之间的相互作用。(aPSMS轻的质量图。(bTi3AlC2MSTi3C2Tx MXenePSMS气凝胶的XRD试样图。(cPVASAPSPSMSFT-IR光谱。(dTi3AlC2MXeneMSPSMS气凝胶的全XPS光谱。(efMSPSMS气凝胶的Ti 2p XPS图样(e)F 1s XPS图样(f)

图4总结了不同入射角对PSMS-1气凝胶蒸发器的温度的影响:入射角度范围为30-70°,入射角大,温度的变化略微下降但是总体变化不大,都保持在50℃左右。

4 PSMS气凝胶的亲水性、光吸收和热管理性能。(a PSMS气凝胶的润湿性。(bPSMS-1PSMS-5PSMS-6气凝胶的吸收光谱。(c)在1阳光照射下PSMS-1气凝胶干湿状态下的温度变化。(dPSMS-1气凝胶在干燥状态上的红外图像。(e)不同入射角下PSMS-1气凝胶蒸发器的温度变化。(f COMSOL模拟计算的PSMS-1气凝胶在干、湿状态下在5 min内快速升温的表面温度

图5总结了不同浓度的PSMS气凝胶蒸发器对蒸发器蒸发水的质量的影响:PSMS的浓度范围为1-4%,随着浓度上升,蒸发水的质量的质量略微下降,1%浓度时蒸发效率最高

不同厚度的PSMS气凝胶蒸发器中蒸发水水的质量的影响:厚度范围为0.751.52.53.5cm,随着厚度增加,蒸发效率不断提升,当厚度达到3.5cm时,蒸发效率大幅提升约达到4kgm−2

不同太阳条件下PSMS-1气凝胶蒸发器下蒸发水水的质量的影响:在1-5个太阳条件下,蒸发器的蒸发效率随着太阳强度升高而升高。

不同盐浓度下蒸发水质量的影响:盐浓度范围为3.5wt%10wt%20wt%,总体上蒸发效率随着浓度提升而降低,但是变化幅度不大,在20wt%的条件下也能保持较高的蒸发效率。

5  PSMS气凝胶蒸发器的蒸发性能。(a)太阳蒸发实验装置的示意图。(b)不同浓度的PSMS气凝胶蒸发器(2.5 cm)对蒸发器蒸发水的质量的变化。(c)不同MS含量PSMS气凝胶(2.5 cm)蒸发器水的质量的变化。(d)不同高度的PSMS气凝胶蒸发器中蒸发水水的质量的变化。(e)在1-5个太阳条件下,PSMS-1气凝胶蒸发器下蒸发水水的质量的变化。(f)在1次阳光下,10次循环下的水的蒸发速率。(g)不同盐浓度下蒸发水质量的变化。(h)盐水交换示意图。(i)不同的MXene光热材料蒸发器蒸发速率的比较。


6  PSMS气凝胶蒸发器的应用情况。(a)蒸发器水下油污污染泄漏的PSMS-1气凝胶宏观图。(b PSMS-1气凝胶的抗菌性能。(c)室外的蒸发-冷凝-收集装置的数字图像。(d)蒸发装置的原理图。(e)室外环境温度,PSMS-1气凝胶蒸发器表面温度的变化。(f)太阳光强度和水分蒸发质量的变化。(g)海水提纯前后金属离子浓度的变化



综上所述,针对MXene制备过程中所存在的资源浪费问题,本研究介绍了以MXene沉积物为原料的3D PSMS气凝胶蒸发器的设计与开发,并组装了冷凝液收集装置。在实际的脱盐过程中,实现了优异的光热转化效率、蒸发速率、耐盐性和抗生物//特殊环境。其定向冻结产生的有序多孔结构不仅促进了水的输送,而且增强了通道内的光吸收,最大限度地提高了光热转换的效率。3D结构被设计为增强水-空气界面的蒸汽扩散,且侧温保持低于环境温度,以吸收环境中额外的热量,并增加侧面的暗蒸发。蒸发器在1次太阳照射下蒸发率为3.6kgm−2h−1,冷凝收集装置在室外连续7小时蒸发率为18.37kgm−2。同时,其独特的各向异性结构使饱和溶液和盐水之间产生化学势变化,在高浓度盐溶液中达到平衡。这促进了对流和沉降,同时抑制了盐晶体的沉淀。此外,PSMS气凝胶表面的水膜层可以防止油进入气凝胶。该蒸发器具有良好的抗菌性能,在极端环境下保持稳定的蒸发性能。自封装置与冷凝收集装置的结合解决了海水淡化的收集挑战,通过冷凝收集的净化水符合世卫组织和环境保护署的标准。这证明了PSMS气凝胶蒸发器是一种可持续开发抗盐、高效淡水资源回收的新方法。利用质谱作为光热材料,最大限度地提高了MXene原料的潜力。未来,MS基蒸发器的发展将扩展到界面太阳能淡化蒸发器的领域。



Wang, T., Li, M., Xu, H.et al. MXene Sediment-Based Poly(vinyl alcohol)/Sodium Alginate Aerogel Evaporator with Vertically Aligned Channels for Highly Efficient Solar Steam Generation. Nano-Micro Lett. 16, 220 (2024). https://doi.org/10.1007/s40820-024-01433-1
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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。




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