Нехватка пресной воды становится все более серьезной проблемой для социального развития. Сообщается, что 29% населения мира не имеют доступа к безопасной питьевой воде, а спрос на чистую воду продолжает расти из-за роста населения и экологических проблем. Чистая вода, связанная с санитарией, особенно важна в контексте текущей вспышки коронавирусной болезни (неокоронавирусная пневмония). Испарение воды с помощью солнечной энергии считается одной из самых перспективных технологий производства чистой воды из морской воды и сточных вод с использованием солнечного света в качестве единственного источника энергии. Технология в значительной степени опирается на солнечные поглотители, которые действуют как испарители для преобразования солнечной энергии в тепло для производства пара. Для достижения высоких показателей испарения воды и эффективности преобразования солнечного тепла идеальный материал должен иметь широкий диапазон поглощения для эффективного использования большой части солнечного спектра, низкую теплопроводность для подавления потерь тепла и трехмерные (3D) пористые каналы для эффективной транспортировки воды. К настоящему времени ученые разработали различные фототермические материалы на основе углерода (например, графена или углеродных нанотрубок), полимеров, металлов и оксидов металлов, а также их гибридов и т. д.
За последние годы ученые упорно трудились над исследованиями и совершили множество прорывов, поэтому давайте изучим несколько тематических публикаций о прогрессе исследований в области фототермического получения чистой воды за последние годы.
- Nature Communications: Листья растений вдохновили на создание высокоэффективного очистителя воды на солнечной энергии
Листья природных сосудистых растений, используя разницу осмотического давления, транспирацию и экскрецию, производят тонны чистой воды, питаясь солнечной энергией. Вдохновленные этим, исследователи из группы Чун Ли в Университете Цинхуа сообщили о создании очистителя воды, работающего на солнечной энергии, для эффективной очистки и производства воды. Этот очиститель, работающий на солнечной энергии, имеет гидрогель из поли(N-изопропилакриламида) (PN), реагирующий на отрицательную температуру, закрепленный на сверхгидрофильной основе из меламиновой пены и покрытый снаружи фильтрующей мембраной из модифицированного PNIPAm графена (PG). Молекулярно-динамическое моделирование и экспериментальные результаты показали, что сверхгидрофильная природа относительно жесткой меламиновой основы значительно ускоряет скорость набухания/сжатия очистителя PNPG-F. При одинаковой интенсивности солнечного излучения эта рационально спроектированная структура обеспечила сбор 4.2 кг/м2/ч и удаление более 99% ионов для одного PNPG-F из рассола за счет синергетического эффекта испарения и капельного добавления. Автор предполагает, что эта высокоэффективная система, работающая на солнечном свете, обладает большим потенциалом применения в различных областях водоочистки. Исследование было опубликовано в виде статьи под названием «Очиститель, работающий на солнечном свете и созданный по образцу листьев растений, для высокоэффективного производства чистой воды» в подразделении Nature Communications.
- Научные достижения: высокогидратируемые полимерные сети светопоглощающих гидрогелей для очистки воды с помощью солнечной энергии
Солнечное испарение воды для очистки воды является перспективной технологией для производства пресной воды. Однако генерация солнечного пара является энергоемкой, что приводит к низкому производству воды при естественном дневном свете. Поэтому существует большая потребность в разработке новых материалов, которые могут снизить потребность в энергии для испарения воды и ускорить солнечную очистку воды. Группа профессора Гуйхуа Юй в Остине, штат Техас, США, сообщила о высокогидратированном светопоглощающем гидрогеле (h-LAH), состоящем из поливинилового спирта и хитозана в качестве гидратационной основы и полипиррола в качестве светопоглотителя, который может использовать меньше энергии (<50% от объема воды) для испарения воды. Было продемонстрировано, что увеличение гидратационной способности h-LAH может изменить состояние воды и частично активировать воду, тем самым способствуя испарению воды. h-LAH увеличил производство солнечного пара до рекордной скорости ~3.6 кг/м2/ч за 1 солнце. Солнечное испарение воды на основе h-LAH также продемонстрировало долгосрочную прочность и противообрастающие свойства против сложных ионных загрязнителей. Исследование было опубликовано в статье под названием «Plant leaves inspiration solar-driven purifier for high-efficency clean water production» в поджурнале Science Science Advances».
- Angew: Материалы COF с супергидрофильностью и широким спектром поглощения света для фототермического испарения воды
Присущая пористым органическим полимерам гидрофобность и ограниченное поглощение света, особенно в ближнем инфракрасном (NIR) диапазоне, являются двумя узкими местами, которые затрудняют их применение в солнечной генерации пара (SSG). Исследователи из группы Сяоли Янь в Университете Цзилинь разработали ковалентный органический каркас (COF) на основе 1,4,5,8 тетракис(фениламино)антрацен-9,10-диона (TPAD) (TPAD-COF), который характеризуется супергидрофильностью и широким поглощением света, охватывающим SSG из всего УФ/видимого NIR диапазона. TPAD-COF, как эффективный фототермический конверсионный материал без каких-либо добавок, демонстрирует превосходное испарение воды 1.42 кг/м2/ч и достигает высокой эффективности преобразования энергии 94% при одном солнечном облучении интенсивности. Дальнейшее расширение диапазона поглощения света COF на основе TPAD было достигнуто путем постсинтетической модификации хелатированных молекул BF2. Систематические контрольные эксперименты и анализ подтверждают, что гидрофильность материала фототермического преобразования играет более доминирующую роль в современных COF на основе TPAD, используемых для фототермического испарения воды. Исследовательская работа под названием «Superhydrophilic2D Covalent Organic Frameworks as Broadband Absorbers for Efficient Solar Steam Generation» была опубликована в ведущем международном журнале Angewise. Работа была опубликована в ведущем международном журнале Angew. Chem. Int. Ed.
- JACS: гидрофильно-гидрофобный двухзонный COF/графеновый гидрогель для фототермического испарения воды
Солнечное испарение воды является устойчивой технологией очистки воды, которая может помочь смягчить глобальный дефицит воды. Однако эта технология сталкивается с большими трудностями из-за высокого потребления энергии и низкой скорости испарения воды. Группа профессора Арне Томаса из Технического университета Берлина, Германия, сообщает о двухзонном гидрогеле ковалентный органический каркас (COF)/графен, который содержит как гидрофильные, так и гидрофобные области в одном материале с помощью простой стратегии роста in situ. Гидрофильный COF покрывает часть гидрофобной области графена. Благодаря точному контролю двух областей смачивания гибридный гидрогель демонстрирует эффективное улавливание света, настраиваемую смачиваемость, оптимизированное содержание воды и сниженную потребность в энергии для испарения воды. В качестве солнечного поглотителя двухзонный гидрогель достигает скорости парообразования до 3.69 кг/м2/ч за 1 солнечное облучение (1 кВт/м2), что сопоставимо с другими передовыми материалами. Кроме того, этот гидрогелевый испаритель может использоваться для получения питьевой воды из морской воды и сточных вод, демонстрируя потенциал очистки воды. Исследовательская работа была опубликована в журнале JACS под названием «Ковалентный органический каркас/графеновый двухзонный гидрогель для улучшенной генерации воды на солнечной энергии», JACS, ведущий международный журнал.
- Достижения науки: высокоэффективный фототермический испаритель воды, созданный по образцу лопастей водяной лилии
В последние годы межфазная генерация солнечного пара показала большой потенциал в достижении высокой эффективности преобразования энергии для опреснения и очистки сточных вод. Однако высокие скорости испарения не могут поддерживаться из-за, казалось бы, неизбежного накопления загрязнений или соли на солнечном абсорбере. Деградация ускоряется по мере увеличения концентрации растворенного вещества. Для решения этой проблемы группа профессора Цзя Чжу из Нанкинского университета, вдохновленная структурой листьев водяной лилии, спроектировала многоступенчатую структуру (Water-lily-inspired Hierarchical Structure (WHS)) фототермического парового конверсионного устройства, которое может достигать 80% эффективности фототермического преобразования при обработке 10% по весу высококонцентрированной соленой воды и 30% по весу сточных вод. Стоит отметить, что эффективность фототермического преобразования существенно не снижается во время обработки высококонцентрированного рассола и сточных вод до тех пор, пока испарение не завершится (т. е. «нулевой сброс»), а поверхность не останется чистой. Работа была опубликована в журнале Science Advance под названием «A Water-lily-inspired Hierarchical Design for Stable and Efficient Solar Evaporation of High Salinity Brine» (Иерархическая конструкция, вдохновленная водяной лилией, для стабильного и эффективного солнечного испарения высокосоленого рассола).
- Наноэнергетика: дисульфид молибдена для фототермического испарения воды
Исследователи из группы Лифэна Вана в Институте перспективных материалов Университета Дикина разработали серию гетероструктур на основе дисульфидов переходных металлов и богатых азотом нитридов для солнечного испарения воды посредством частичной кристаллической трансформации. В частности, эти усовершенствованные 2D гетероструктуры демонстрируют улучшенное спектральное поглощение в инфракрасном диапазоне и превосходную химическую стабильность в различных растворах, включая воду, кислоты и щелочи. Что еще более важно, благодаря повышенной интенсивности спектрального поглощения и уменьшенным теплопотерям, солнечно-тепловое устройство MoS2-Mo5N6/ меламиновая пена (MF) демонстрирует высокую скорость испарения (2.31 кг·м⁻²·ч⁻¹) и эффективность преобразования (106.6%), которые в 1.4 и 4.7 раза выше, чем у солнечных устройств MoS2/MF и MF/вода соответственно. Эта работа представляет собой серию усовершенствованных 2D-2D гетероструктур на основе дисульфидов переходных металлов и богатых азотом нитридов с превосходными фототермическими характеристиками для солнечного получения воды. Данная работа была опубликована в ведущем международном журнале Nano energy под заголовком «Усовершенствованные 2D-2D гетероструктуры дихалькогенидов переходных металлов и богатых азотом нитридов для получения воды с помощью солнечной энергии».
Ожидается, что технология испарения воды с помощью солнечной фототермии решит проблему глобальной нехватки чистой воды. Сейчас необходимо решить проблему недорогой подготовки фототермических материалов, высокоэффективной эксплуатации, а также стабильности и портативности использования в практических условиях. С нетерпением ждем дальнейших результатов в будущем на благо всего человечества!
Для получения дополнительной информации о меламиновой пене, пожалуйста, свяжитесь с нами по электронной почте [email protected] или по телефону: +86-28-8411-1861.
Некоторые изображения и тексты воспроизводятся из Интернета, и авторские права принадлежат оригинальному автору. Если есть какие-либо нарушения, пожалуйста, свяжитесь с нами для удаления.