【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】淡水資源是人類生存的命脈。然而，根據(jù)世界氣象組織發(fā)布的最新報告，全球有超過20億人無法獲得充足的淡水資源。傳統(tǒng)的海水淡化方法，如蒸餾、反滲透和電滲析，為解決這一問題提供了可行的工業(yè)選擇。然而，這些方法仍然存在處理復(fù)雜、能耗高等缺點。隨著近年來全球?qū)μ贾泻偷某珜?dǎo)，以無處不在的免費太陽能為動力的太陽能脫鹽受到了廣泛關(guān)注。
近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)劉波教授團隊在太陽能驅(qū)動海水淡化研究中取得重要進(jìn)展。該研究團隊開發(fā)了一種基于彈性聚合物共價有機框架(PP–PEG)的高效太陽能蒸汽蒸發(fā)器。PP–PEG泡沫展現(xiàn)出全光譜吸收和出色的光熱轉(zhuǎn)換性能，通過優(yōu)化親水性、PEG鏈長度和熱管理，在1個太陽輻照下，實現(xiàn)了4.89 kg m−2h−1的蒸發(fā)速率。團隊進(jìn)一步巧妙地使用易制得的截錐型反射器充分利用免費太陽能，蒸發(fā)速率顯著提高至18.88 kg m−2h−1，超過已知的太陽能蒸汽蒸發(fā)器的性能。這項創(chuàng)新設(shè)計具有制備簡單、成本低、效率高、機械穩(wěn)定性和耐久性等優(yōu)點，為海水淡化和水凈化應(yīng)用提供了一個有前景的平臺。相關(guān)成果以“Highly efficient solar steam evaporation via elastic polymer covalent organic frameworks monolith”為題發(fā)表于《自然·通訊》雜志(Nat. Commun. 2024, 15, 9484.)。
具體而言，PP–PEG材料含有柔性的聚乙二醇連接劑，對客體呈現(xiàn)出有趣的自適應(yīng)性(圖a)。卟啉環(huán)作為光熱功能單元，柔性的聚乙二醇鏈防止了卟啉環(huán)的不利聚集和猝滅，使得PP–PEG具有全光譜吸光度和優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能。基于此，PP–PEG以三維泡沫形式作為蒸發(fā)器應(yīng)用于太陽能驅(qū)動的海水淡化。彈性還有助于防止泡沫在蒸發(fā)過程中發(fā)生崩塌，以維持循環(huán)蒸發(fā)的性能。為了減少向水體的熱量損失，蒸發(fā)器采用特殊的自包含模式，將太陽能蒸發(fā)器與水體隔離開(圖b)，在維持連續(xù)供水的同時，不僅減少了熱傳導(dǎo)損失，還充分利用了三維泡沫的側(cè)表面，大幅增加了蒸發(fā)面積，促進(jìn)冷蒸汽的產(chǎn)生，提高了蒸汽的蒸發(fā)性能。通過優(yōu)化親水性和PEG鏈長度，在1個太陽輻照下，實現(xiàn)了4.89 kg m−2h−1的蒸發(fā)速率。
為充分利用免費的太陽能資源，該項研究設(shè)計了一個鋁制的截錐形型反射器，將光反射到三維泡沫的側(cè)表面(圖b)。當(dāng)三維泡沫與反射器耦合時，顯著提高了蒸發(fā)性能。在1個太陽輻照下，蒸發(fā)速率達(dá)到18.88 kg m−2h−1，相比沒有反射器時的蒸發(fā)速率4.89 kg m−2h−1，增加了286.1%，是迄今為止文獻(xiàn)報道的最高的太陽蒸發(fā)性能。這種充分利用自然資源的創(chuàng)新方法，將給太陽能驅(qū)動海水脫鹽淡化領(lǐng)域的研究人員帶來啟發(fā)。
圖. PP-PEG的制備及應(yīng)用于太陽能蒸汽蒸發(fā)示意圖
綜上所述，該項研究開發(fā)了基于彈性聚合物共價有機框架(PP–PEG)材料的高效太陽能蒸汽蒸發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)制備簡單、效率高、成本低、機械穩(wěn)定性和耐用性良好，有望成為極具前景的海水淡化和水凈化平臺。
該項研究受到國家自然科學(xué)基金面上項目、中央高校基本科研專項資金和安徽省自然科學(xué)基金的資助。劉波教授為該論文的通訊作者，博士研究生胡阿威為該論文的第一作者。
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