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过程工程所利用非晶中空多壳层纳米材料实现高效光热水净化

发布时间:2021-11-26

      仅利用太阳能即可实现高效水净化,光热蒸水被视为一种获得饮用水的绿色新途径,其核心为光热界面材料。近期,过程工程所开发了一种具有中空多壳层结构(Hollow Multishelled Structures, HoMSs)的非晶纳米复合物,表现出优异的光热蒸水性能。研究表明,该材料可以有效提升光热转换以及水输运过程,具有高效、高稳定性、高环境耐受力等优点。相关工作发表在《先进材料》上 (DOI: 10.1002/adma.202107400)。 

  淡水资源紧缺是人类面临的重大挑战,科学家期待寻求一种无需耗电、不受地域限制的材料,以实现高效海水淡化及污水净化,光热界面蒸水日渐成为学术界的研究热点。半导体材料由于稳定性高,选材范围广等优势,极具应用潜力。 

  基于前期对HoMS增强物质传递与能量转化的理解,过程工程所王丹研究员团队设计了一种特殊的HoMSs以强化光热蒸水过程。利用该团队发现的次序模板法,研究人员首次制备了非晶氧化钽/碳复合HoMS材料,并从材料组成、结构出发探索了其对光热蒸水行为的增强机制。研究表明,非晶化设计和碳复合可以有效促进太阳能吸收,提升光热转换效率和界面热传导;HoMS纳微结构设计,强化了太阳能捕获,并提供了毛细作用和内建热场,从而加速水的输运。同时,HoMS的孔道结构,削弱了孔道表面附近水分子之间的氢键,降低了水的实际蒸发焓,实现了高达4.02 kg/m2h的光热蒸水速率,并可稳定运行30天以上,速率基本保持不变。 

  实验证实,在海水、含重金属离子污水、含病毒水源、强酸强碱溶液等苛刻条件下,该HoMS材料仍可保持高蒸水速率及稳定性。经冷凝收集的清洁水,已达到我国和世界卫生组织的饮用水标准。目前,该研究团队正在制备小型便携式净水设备及海水淡化样机,以满足相关场景下的应用需求。 

  该工作得到国家自然科学基金的支持。 

       论文链接:https://doi.org/10.1002/adma.202107400

  (生物剂型与生物材料研究部) 

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