电子科技大学&俄克拉荷马大学：一步制备碳化海绵作为可扩展、环保和超快的水净化太阳能蒸发器

【引言】

随着全球的工业化和城市化发展，淡水稀缺已经成为人类面临的一个巨大挑战。同时，太阳能这一绿色，可持续能源在很多领域得到了广泛关注。近年来，研究者开发了很多光热转换材料（PCMs），利用太阳能来驱动水蒸发，从而获得纯净水。目前，等离子体纳米颗粒、半导体、碳材料、聚合物材料和生物质材料被广泛研发来提高光热转换效率，但是大多数的PCMs的光热转换效率低于85%（一个太阳辐射下）。现今PCMs的开发仍有挑战存在：(i) PCMs 的制备合成过程大都需要高额成本和复杂的工序，阻碍了PCMs的工业化大规模应用。(ii) 现阶段的PCMs的蒸发速率和光热转换效率较低，从而引起产生淡水的速率慢。

【成果简介】

近日，电子科技大学巩峰博士和美国奥克拉荷马大学的Dimitrios V. Papavassiliou 教授（共同通讯作者）等在Nano Energy上发表了题为“Scalable, eco-friendly and ultrafast solar steam generators based on one-step melamine-derived carbon sponges toward water purification”的研究论文。利用直接在空气中煅烧商业三聚氰胺海绵（AMS），一步直接制备了高效的太阳能驱动的蒸汽发生器。该方法简单易行，成本低廉。AMS有很多优点：碳化后在太阳光谱内具有很好的吸收效率；低的体热导率有效锁住热量、很好的亲水性保证充足的水供应、高孔隙率有利于蒸汽的快速运转。这些优良性质使AMS拥有很高的光热转换效率，在一个太阳辐射下（1 kW m^-2）实现了很高的蒸发效率（1.98 kg m^-2 h^-1）和光热转换效率（~92%）。通过巧妙的装置设计避免了AMS和大体积水的直接接触，防止热量大量扩散到水中。相比于直接将AMS置于水面进行蒸发，此装置的使用大大提高了蒸发速率和光热转换效率。AMS还被发现具有普适性，可以作用于多种水体（污染后的河水，海水，强酸强碱废水）。研究发现，利用AMS可以从这些水体中得到纯净水，体现了其突出的防污性能。此外，作者巧妙的设计了测量AMS潜热的简单方法，结合理论计算探究了AMS中蒸发潜热降低的原因。为了验证AMS净水能力，作者设计制作了室外装置模型证明了AMS有望用于实际的工业化污水处理和海水淡化。

【图文导读】

图一：空气中煅烧三聚氰胺海绵（AMS）的示意图和微观形貌。

（a）400 ℃空气中一步退火，白色MS转变为黑色AMS；

（b）大块MS（45 cm×35 cm）照片；

（c-d）MS的SEM图片；

（e）退火后的AMS约有60%体积收缩（30 cm×20 cm）；

（f-g）AMS的SEM图片，相较于MS，孔径减小。

图二：AMS的物理和机械性能

（a）AMS显亲水性，水接触角为0°；

（b）10 s内，AMS上面的白色纸巾被蓝色墨水润湿；

（c）AMS被压缩和释放照片，显示出优良的机械性能；

（d）MS和AMS的拉曼光谱；

（e）干燥MS和AMS的热导率和密度；

（f）湿润MS和AMS的热导率和密度。

图三：一个太阳辐射下，AMS的太阳蒸发性能

（a）使用热绝缘体（AMS-TI）设计的太阳能蒸发装置。一片AMS（2m×2 cm×0.3 cm）置于PS泡沫上（热绝缘体），2 cm宽的无尘纸通过毛细管效应持续提供水。插图为AMS的微观结构示意图和无尘纸毛细管效应示意图；

（b）没有热绝缘体（AMS-NTI）的AMS太阳能蒸发示意图。由于直接接触，热量直接传输到大体积水中；

（c）有热绝缘体（AMS-TI）的AMS太阳能蒸发示意图。由于热绝缘层存在，热量被阻碍散失到大体积水中；

（d-f）纯水（d），AMS-NTI（e）和AMS-TI（f）在稳态下太阳能蒸发过程中的红外图像；

（g-i）一个太阳辐射下一小时，纯水、AMS-NTI、AMS-TI的质量蒸发损失（g），平均温度曲线（h），太阳蒸发效率和光热转换效率（i）；

图四：AMS-TI在不同水体上的太阳能蒸发性能。

（a）一个太阳辐射下，1小时不同类型水的质量变化；

（b）不同类型水，一个太阳辐射下的表面温度；

（c）AMS在一个太阳辐射下，不同类型水的蒸发速率和光热转换效率；

（d）蒸发前酸性水和蒸发所收集到水pH测试试纸照片；

（e）蒸发前碱性水和蒸发所收集到水pH测试试纸照片；

（f）AMS蒸发污水的性能，插入图为被污水污染的无尘纸；

（g）AMS-TI在酸性水，碱性水和海水的循环性能；

（h）太阳能蒸发冷凝装置原型的设计和组成示意图；

（i）漂浮在河水上的太阳能蒸发冷凝装置照片。

【小结】

研究人员通过一步碳化三聚氰胺海绵得到了高效，简易，低成本的高效智能太阳能蒸汽发生器。制备的AMS具有高孔隙率，低密度（~0.015 g cm^-1），低热导率（~0.038 W m^-1 K^-1）和亲水毛细管网络（水接触角=0°）。在绝热体（PS泡沫）和倒水通道（无尘纸）的协助下，AMS实现了1.98 kg m^-2 h^-1 的蒸发速率和~92%的光热转换效率，超过目前已报道的大多数PCMs。AMS表现出优异的防污性能、脱盐作用和循环稳定性，可以被用于净化污染河水、强酸和强碱废水、海水。作者利用太阳光蒸发冷凝装置证明了AMS用于大规模工业生产的可能性以及其应用前景。AMS的简便性，可扩展性，低成本和高便携性使其具有家庭和工业净水的具体潜力，也可以应用于污水处理和海水淡化等领域。

文献链接：Scalable, eco-friendly and ultrafast solar steam generators based on one-step melamine-derived carbon sponges toward water purification （Nano Energy

2019, 58, 322-330）

本文由电子科技大学巩峰博士和美国奥克拉荷马大学Dimitrios V. Papavassiliou 教授团队供稿，材料人编辑部整理。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaorenVIP.