一种低成本、高效率的太阳能光热海水淡化多功能涂层
发布者:lzx | 来源:科学材料站 | 0评论 | 1716查看 | 2020-05-11 09:47:14    

近年来,关于太阳能光热海水淡化的研究多集中于器件的结构设计,而新型光热材料方面的研究进展则较为缓慢。我们认为新型多功能低成本光热材料的开发设计对于该技术的应用同样具有重要意义。在开发设计新型材料方面,我们的思路是该材料需具备以下几点性能:


1.制备过程要简单温和,尽量避免使用特殊设备,使其容易大规模制备;


2.材料成本一定要低;


3.材料要有较好的光吸收和光热性能;


4.材料具备较好的稳定性,可适用于多种环境;


5.材料最好具有较好的普适性,并且兼容各种结构设计,为进一步提高其性能提供良好的平台;


6.材料最好具有一定的多功能性。目前所报道的材料很难同时满足以上要求,这就需要考虑从新的角度去解决这个问题。


我们一直以来都在从事基于贻贝仿生表/界面涂层的设计开发,我们就在思考,能否从涂层的角度出发来解决上述问题。我们前期开发了TA-APTES涂层,该涂层具有良好的普适性,可对具有不同形貌的多种材料进行表界面改性,同时该涂层制备过程极其简单,且成本很低。如果可以将该涂层转变为光热材料,则可以很好的满足上述要求。


因此,我们做了一系列尝试,最终发现经过简单的三价铁离子处理,该涂层即可变为黑色光热材料,同时,三价铁离子处理还可以大幅提高该涂层的酸碱稳定性和赋予材料持久的超亲水性,可谓一举三得。这一具有诸多优点的新型涂层将为光热材料的设计开发提供全新思路,并将极大的促进该领域的发展。


1.太阳能蒸发技术的研究现状


饮用水短缺是全球最重要的挑战之一。近来,基于空气/水界面处的太阳能光热海水淡化/水净化技术引起了学术界和工业界的关注。与传统的太阳能蒸发技术通过加热一整块水来获得蒸汽不同,这项新技术将热量集中锁定在气/液界面,从而可以最大程度地减少热损失,并快速的将水变为水蒸气,从而大幅提高蒸汽产生的效率。尽管尚未在大型工厂实施应用,但预计基于光热材料的太阳能海水淡化/水净化技术将成为生产清洁水和减少废水量的经济且可持续的技术。


2.光热材料的研发进展


到目前为止,已开发出各种光热材料来产生蒸汽,例如等离子体粒子,半导体,碳质材料。作者已经开发了一种基于柔性卟啉有机骨架(POF)的界面工程方法来生产光热材料,并且该策略可用于包括膜,织物,海绵和木材在内的各种材料。


此外,作者还制备了低成本的单宁酸-铁复合涂层,以制备用于太阳能蒸汽发电的光热材料。尽管在过去两年中取得了重大进展,但挑战仍然存在:在某些情况下,成本高(例如贵金属),复杂的处理(例如高温加热,多步合成,或等离子处理)或用于制备光热的专用设备阻碍了其工业应用。此外,对于水源被有机化合物(例如油)污染的问题,常用的碳化策略通常会剥夺光热基质的超亲水性,使其易于被水中油滴污染堵塞材料内部的水输送通道,进而大幅降低产水速率。因此,仍然需要开发新材料以克服上述问题。


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图1.图片概要


基于以上现状,李越湘教授和王振兴博士等在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Versatile coating with multifunctional performance for solar steam generation”的论文。王振兴博士和韩明才为本文共同第一作者。


在这项工作中,作者开发了一种新型材料,单宁酸@氨基丙基三乙氧基硅烷@Fe3+(TA@APTES@Fe3+),在效率,成本,可扩展性,稳定性和适应性方面均表现出令人鼓舞的性能。TA@APTES@Fe3+与以前报道的材料(例如,碳质材料,等离子体金属,聚吡咯和半导体)不同,并且具有几个明显的优点:


(a)方法简单


该制造过程容易且温和,可以在室温下水溶液中实现,无需高温、高压、有毒的有机溶剂或复杂的设备。


(b)成本低廉


用于制备TA@APTES@Fe3+的试剂价格低廉,易于获得。材料成本仅为1.6美元/平方米,低于其他报告的材料。


(c)普适性和稳定性好


TA@APTES@Fe3+可以牢固地粘附在具有各种形状和表面化学性质的基材(棉,滤纸,木材,PU海绵,甚至是化学惰性和高度疏水的PVDF膜)的表/界面上,具有良好的酸碱稳定性,并可承受水冲洗处理(3000r/min96h),循环冻融测试(−18°C⇄30°C,90次),这是其他已报道的涂层(例如炭黑)难以实现的。


(d)良好的抗原油黏附性


TA@APTES@Fe3+具有稳定的超亲水性和水下超疏油性,可赋予基材抗油和其他有机物污染的能力。


(e)强的光吸收


基于上述优点,该涂层可以将多种不同基材转变为高效的光热材料,并用于太阳能海水淡化。以经过结构设计的杨木为例,杨木其经过TA@APTES@Fe3+处理后,水蒸发速率达到约1.8kgm-2h-1(一个太阳光照强度下)。这一技术有望与目前的3D打印技术相结合,通过3D打印技术制备具有优化结构的基材,之后利用该涂层转换为光热材料,将有望大幅提高太阳能海水淡化效率,极大的促进这一领域的发展。


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