【研究背景】
界面太阳能水蒸发作为一种利用蒸发系统内部光热材料,实现高效太阳能-热转化并驱动海水蒸发获取清洁水的技术,具有高效率、低成本和节能环保等优势。特别近年来,新型复合光热材料和蒸发器结构巧妙设计赋予ISSG除了海水淡化外新的功能——污水净化、电能获取等,进一步激发了ISSG的研究和应用潜力。在近年来得到广泛研究的光热材料中,碳基材料具有良好化学稳定性、无毒等优势,然而,大部分碳基光热材料,相较于在可见-近红外范围出色的光吸收,在紫外区的光吸收能力减弱,为此,开发高效光吸收、热转化的碳基光热材料并具有多功能于一体的特性具有重要价值。
考虑到MOFs衍生多孔碳材料的特性和半导体材料在紫外波段良好的光吸收性能,本工作将通过原子层沉积(ALD)制备的TiO2薄膜与生长在多孔泡沫镍表面的Co-MOF复合并碳化,制备具有全太阳光谱出色光吸收能力的多级光热材料(CTCNF)。得益于类黑曼巴蛇的仿生结构,结合Co金属纳米粒子、CoOx、TiOx和MOFs衍生多孔碳材料的协同光热效应,CTCNF在全太阳光谱具有93.65%的光吸收和97.75 %的光热转化效率,基于CTCNF构建的蒸发在1个标准太阳下具有3.60 kg m-2h-1的蒸发速率和151.15 mV的开路电压。
目前,该文以“Hierarchical TiO2-coated metal-organic framework-derived carbon material for efficient co-generation of drinkable water and electricity”为题在《Desalination》(中科院一区,TOP,IF2024=8.3)上发表。该文通讯作者为陕西科技大学王维科副教授、马闯及王成兵教授。
【文章解读】
利用ISSG过程实现海水淡化、污水净化和发电的CTCNF材料的制备示意图。使用原子层沉积(ALD)在生长Co-MOF的泡沫镍表面沉积TiO2, 经过巧妙的碳化方案,获得用于海水淡化、污水净化和蒸发驱动发电的柔性MOFs衍生碳基光热材料——CTCNF。
图2.(a,d)CNF,(b,e)TCNF,(c,f)CTCNF-100的SEM图像;(g)CTCNF-100的Ti、Ni、O、Co、C和N元素谱图;(h)NF、CNF、TCNF和CTCNF的XRD谱图;(i)CNF、TCNF和CTCNF的局部XRD放大图;(j)CTCNF-100的拉曼光谱。
图3.CTCNF的(a)C1s,(b)O1s,(C)N1s,(d)Co2p和(e)Ti2p XPS光谱;(f) CTCNF-100的亲水性测试;(g)NF和CTCNF的光吸收示意图;(h)NF、CCNF和CTCNF的紫外-可见-近红外吸收光谱;(i)NF、CNF、CCNF、TCNF-100和CTCNF-100在模拟光源(1个太阳)开启和关闭时的温度响应曲线;(j)开灯-关灯(1个太阳)时CTCNF(干燥状态)的红外图像。
图4.(a)CTCNF-100,0和(b)CTCNF-100,45在0.5-2个太阳光照度下的水质量变化。(c)在0.5-2个太阳光照强度下CTCNF-100,0和CTCNF-100,45的蒸发速率。CTCNF-100,0、CTCNF-100,45和模拟海水在黑暗和1个太阳下的(d)水质量变化和(e)蒸发速率。(f)CTCNF-100的O-H拉曼拉伸模区拟合曲线。(g)CTCNF-100与纯水的DSC曲线。(h)CTCNF-100,0和CTCNF-100,45蒸发装置示意图;(i)CTCNF-100,0和(j)CTCNF-100,45在不同盐浓度下的水质量变化。(k)使用CTCNF-100,45在一个太阳下连续蒸发15 wt%的海水10小时,每小时的蒸发速率。
图5.(a)用固定电极间距的万用表测量不同水的电阻结果。(b)使用CTCNF-100蒸发海水前后水体中Na+、Mg2+、K+和Ca2+的浓度。模拟污水和冷凝水的UV-Vis吸收光谱,(c)CuSO4·5H2O,(d)红墨水,(e)RhB和(f)泥水的紫外可见光谱。在污水净化后,(g)CuSO4·5H2O,(h)RhB,(i)红墨水和(j)泥水的变化。
图6.(a)CTCNF-100基发电装置在开关-灯条件下工作的原理图。(b,c)不同尺寸(宽度和长度)CTCNF-100的Voc;(d)不同尺寸CTCNF-100在1个太阳下连续测试5000s的Voc变化;(e)不同尺寸CTCNF-100在1个太阳下的蒸发速率;(f)CTCNF-100在黑暗条件下有无3.5 wt%海盐水存在时的Voc。
图7.(a、b)CTCNF-100,0和(c、d)CTCNF-100,45蒸发装置在户外测试过程中,蒸发器表面温度、太阳强度和蒸发速率的监测结果。(e)户外水蒸发和蒸发驱动发电一体化装置示意图;(f)在户外测试过程中CTCNF-100,45的发电性能、表面温度和蒸发速率监测结果。
【文章总结】
本文以制备全太阳光谱出色光吸收性能、光热性能的具备良好稳定性和无毒性的碳基光热材料为出发点,结合MOFs和TiO2的特性,提出并使用ALD制备了TiO2包覆的Co-MOFs衍生碳基复合光热材料,具有仿生结构的柔性CTCNF基蒸发器在获得高效能量利用和水蒸发性能的同时,拥有海水淡化、污水净化和蒸发驱动发电多功能一体化的优势,为制备高性能光热材料应用于ISSG提供了新的策略。
(1)CTCNF的仿生结构可以促进光线的多次反射和吸收,同时,结合碳基材料、Co金属纳米颗粒、TiOx、CoOx的协同光热效应,CTCNF在全太阳光谱具有优异的光吸收性能(高于93.65 %),光热转换(~97.75 %)、能量利用效率(~109.9 %)和蒸发性能(3.60 kg m-2 h-1)。
(2)CTCNF表面丰富的含氧和含氮官能团,赋予自身高效的水供给,在满足快速水蒸发的同时,具有良好的耐盐特性。
(3)基于CTCNF-100设计的蒸发-发电一体化装置,在一个标准太阳光强下,可以获得151.15 mV的开路电压和3.61 kg m-2 h-1的蒸发速率。
【文献来源】
Weike Wang*, Chuang Ma*, Zhen Jia, Qian Chen, Rongrong Zhang, Xuelian Zhang, Jiankang Zhu, Chengbing Wang*, Hierarchical TiO2-coated metal-organic framework-derived carbon material for efficient co-generation of drinkable water and electricity. Desalination, 2025, 593,118256.
https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.118256