美国德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华Energy Environ. Sci.：防污染、高效的水凝胶海水淡化太阳能蒸发器

【引言】

淡水稀缺是人类文明发展面临的最严重威胁之一。在各种缓解淡水短缺问题的战略中，海水淡化这一技术在不影响天然淡水生态系统的前提下，提供了适当的优质水源。与传统的海水净化技术如反渗透和离子交换相比，一些新型的蒸馏系统由于高效率，低成本和可扩展性已经证明了基于蒸发的水净化的潜力。在此背景下，探索可持续的太阳能来驱动水蒸发成为一个快速增长的研究方向。对提高太阳能海水淡化的效率给予了极大的关注，其关键设计原则大致总结如下：（I）增强太阳能吸收以从集中阳光收集能量; （II）将转化的能量限制在蒸发表面处的少量水中。例如，具有宽带的各种吸收剂和增强的光吸收，例如超黑色半导体，等离子体纳米粒子，已经在集中太阳能照射下进行了蒸汽发生的研究。然而，尽管蒸发率很高，但这些材料或设计的大规模应用受到相对较低的能量效率和复杂光学聚光器的高成本的阻碍。除了光浓度之外，通过热定位改善能量约束（从太阳能）已经实现与碳基材料，共轭聚合物，和生物启发纳米技术，微观结构，实现单次辐照下的太阳能海水淡化（1kW m^-2），为自然条件下的实际水净化打开了可能性。这些太阳能蒸发器的主要挑战是：（1）将蒸发表面与散装水分开以抑制热量损失；（2）从散装水维持足够的水供应至蒸发表面以连续蒸发；以及（3）维持低含水量在蒸发表面减少水加热的能量消耗。

由于具有新颖的物理和化学性质，水凝胶是一类独特的聚合物材料，其具有水分子溶胀的3D交联聚合物网络，已广泛用于各种应用。更重要的是，已经证明聚合物网络可以大大加速水凝胶的水分蒸发。理想情况下，如果太阳能可以转换并限制在位于水凝胶蒸发表面的分子网格中，则水分蒸发将大大加速。然而，鉴于水凝胶中的水输送不充分，蒸发分子网格的低效水补给成为阻碍用于实际水脱盐的高效水凝胶基太阳能蒸发器的发展的重大挑战。

【成果简介】

近日，美国德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授课题组（通讯作者）在国际顶级期刊Energy Environ. Sci上成功发表 “A hydrogel-based antifouling solar evaporator for highly efficient water desalination”的论文。太阳能海水淡化是利用可持续能源进行大规模水净化的有前途的方法。然而，目前的高速太阳能蒸发通常依赖于由于自然阳光的扩散导致的光学浓度，这导致能量供应不足。研究人员开发了一种基于新型混合水凝胶的高效太阳能水蒸气发生器，其具有通过毛细管水路径实现的增强的水输送（即具有毛细管促进水输送的水凝胶，表示为CTH）。 CTH是通过将还原的氧化石墨烯（rGO）穿透到聚乙烯醇（PVA）的聚合物网络中而构建的，所述氧化石墨烯是广泛使用的在整个太阳光谱上表现出宽带吸收的吸收体。

【图文导读】

图1 基于具有毛细管促进水输送（CTH）的混合水凝胶的太阳蒸汽产生的示意图

在暴露于太阳辐射后，强烈的水蒸发（蓝色箭头）可以由太阳能驱动。 浮动CTH能够通过毛细管泵送（粉红色箭头）和渗透膨胀（浅蓝色箭头）效果将水从大量的水输送到蒸发表面，从而减轻蒸发过程中的水分损失。 在聚合物网络（PVA）内相互渗透的rGO吸收剂可以有效地收获太阳能以及将能量转移和限制在蒸发表面上的分子网格上，在蒸发表面上促进水分蒸发，从而进一步加速水分蒸发。

图2  CTH化学和结构表征

（a）大片（20×30厘米）制备的CTH的照片;

（b）不同放大倍数下的SEM图像显示；

（c）顶视图微米级孔和的横截面图像；

（d）CTH壁结构的扭曲表面的毛细通道及插图：纯PVA水凝胶中壁结构的平坦表面；

（e）显示PVA和CTH的储能模量（G'）和损耗模量（G“）的动态力学分析；

（f）PVA，rGO和CTH的FTIR光谱显示化学组成。

图3 CTHs的可调水运输，太阳能吸收和太阳能热转换

（a）CTH中每克相应干凝胶的饱和水含量（即gg^-1）。 CTH1至CTH4代表含有rGO的凝胶，其C / O比分别为132.3，19.6，12.7和4.9；

（b）CTH从半饱和状态到饱和状态的溶胀行为以及计算的输水速率表明了CTHs中的可调水输送；

 （c）CTH薄片的UV-vis-NIR光谱，厚度约为1mm。 在AM 1.5 G下太阳光谱的归一化光谱太阳辐射密度由黑色虚线表示；

 （d）随着时间的推移，标准阳光照射下（1 kW m^-2）下CTH和散装水中蒸发表面的温度。 W-CTH1，2，3和4分别代表CTH 1，2，3和4下面的散装水的温度。

图4 标准阳光照射下（1 kW m^-2）下CTH的太阳蒸气产生

（a）与单纯水作为对照试验相比，在标准阳光照射下（1 kW m^-2）下不同CTH样品的水的质量损失；

（b）与最近的文献报道相比，CTH3的单日蒸气发生性能；

（c）基于CTH的太阳能蒸汽发生试验装置和相应的红外图像，显示辐照时间为0分钟，10分钟和60分钟时的温度分布；

 （d-e）CTH蒸发表面附近温度分布的模拟和理论模拟，其中红色橄榄色区域和蓝色背景分别代表毛细管通道和聚合物网络。 预加载的热源和水源分别用黄色和蓝色虚线箭头表示。

图5 标准阳光照射下（1 kW m^-2）基于CTH的太阳能海水淡化

（a）基于CTH的太阳能海水淡化示意图。 漂浮的CTH收获太阳能以汽化净化水（蓝色箭头）。 当水运输引起的盐离子吸收（紫罗兰色箭头）和扩散使盐离子排放（黄色箭头）平衡时，建立平衡；

（b）脱盐前后实际海水样品中四种主要离子的浓度；

（c）测量CTH中积累的四种主要离子随时间推移的浓度，表明使用的CTH中的平衡离子浓度相对较低，这不足以触发结晶；

（d）标准阳光照射下（1 kW m^-2）下持续太阳能海水淡化96小时的CTH持续时间测试。

【小结】

研究人员设计的具有毛细管促进水输送（CTH）的混合水凝胶已经实现了高效太阳能蒸汽生成，其提供了定制水运输，有效能量约束和降低水蒸发焓的协同特征。水分布可以通过聚合物网络及其与rGO添加剂的相互作用来调节以平衡水运输和太阳能蒸发，从而提高能源利用效率。更重要的是，CTH体现了一种新的可能性，即在弱日光下通过将热量限制在分子网格中来开发高速太阳能蒸发器，从而减少能量损失。此外，聚合物网络可以减少水蒸汽的能量需求以促进蒸汽的产生。这种新颖的设计使太阳能蒸汽的产生速率达到〜2.5 kg m^-2 h^-1，标准阳光照射下（1 kW m^-2）下能量效率约为95％。此外，防污功能，低成本和可扩展性进一步保证了CTH在实际环境中的巨大潜力。除了展示的太阳能净水，新开发的基于水凝胶的太阳能收割机可用于其他应用，如环境冷却，水/湿气管理和减少污染。 因此，这项工作有望显着扩大应用领域并降低太阳能供水管理系统的成本。

【文献链接】：A hydrogel-based antifouling solar evaporator for highly efficient water desalination(Energy Environ. Sci，2018，DOI：10.1039/C8EE00567B.)

 本文由材料人编辑部新人组Flyfish（罗程）编辑，刘宇龙审核，点我材料人编辑部。

材料测试，数据分析，上测试谷！