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UT Austin余桂华团队:凝胶迎旭日,苦海变清泉!

先来讲个故事。


很久很久以前,有一只出生在傲来国花果山的神猴划着船跨海求学……


这一天,烈日当空,神猴汗如雨下。船上胡乱扔着几只水囊,都已空空如也,四周的海水又偏偏咸的发苦,根本没法入口。在他口渴欲狂、头晕目眩之时,西北方突地霞光绽放,一位白发长髯的老翁缓步踏空行来,笑看神猴说道:“猢狲,接宝!”说完,一只锦匣从老翁袖袍中飞出,落在神猴手中。见神猴疑惑,老翁言道:“这匣中之物,四四方方,黑似墨染。将它置于海上,使烈日照之,眼见白雾升起时,用皮毛之物接住。如此往复,便能叫苦海变清泉。”


神猴喜不自胜,抓耳挠腮,大叫道:“好宝贝!好宝贝!敢问仙翁,此宝可有来历?”老翁笑答:“这类宝物品类繁多,或材质上下功夫,或细微处做道场,总归依靠太阳照耀,方可激起这丝丝白雾。而汝手中此宝,乃是老朽穿时空跨大洋,从未来的某处未知之地取回,那里的人称之为‘海抓照’。言尽于此,好自为之!”说罢,老翁便化作一缕清风消失不见。


神猴如法施为,果得清水解渴,不由暗想:“放在海里抓着给太阳照?原来如此,好一个‘海抓照’。”

《西游记》皮影戏。图片来源于网络


故事讲完,博君一笑。


诸位可能也已经猜出,我们今天要介绍的内容与太阳能水净化有关。在言归正传之前,先解释一下,所谓宝物“海抓照”,实际上就是Hydrogel(水凝胶)。利用太阳能产生水蒸汽是非常有效的水净化方法,不过目前常见的材料多是可吸收太阳光能量的黑体、等离激元纳米粒子或聚热陶瓷等,基于水凝胶的研究非常罕见。


近日,德克萨斯大学奥斯汀分校(UT Austin)的余桂华教授(点击查看介绍)团队与科罗拉多大学博尔德分校(CU Boulder)的杨荣贵教授(点击查看介绍)和北京理工大学曲良体教授(点击查看介绍)共同合作,利用具有多级纳米结构的水凝胶材料在1个标准太阳光(1 kW/m2)下实现了高效、快速的水蒸发及盐水分离。相关研究成果近日发表在Nature Nanotechnology 杂志上,论文的共同第一作者为赵飞博士和博士生周星怡

图1. 基于多级纳米结构水凝胶的光热集中效应。图片来源:Nat. Nanotech.


这种多级纳米结构水凝胶由相互贯穿的聚乙烯醇(PVA)和聚吡咯(PPy)构成(图1)。其中,聚乙烯醇分子链交联成三维网络结构形成凝胶骨架。该骨架借助冷冻-融化循环处理引发的物理交联效应进一步形成微孔结构。同时,聚吡咯分子团在聚乙烯醇物理交联过程中起到模板作用。因此,不同于纯聚乙烯醇凝胶,该复合凝胶内部形成了更大尺寸的通道。这种三级多孔结构有利于加快水分的蒸发。除此以外,由聚乙烯醇分子链形成分子网络可将水分子限制在分子网格内,避免水对流引起的热损失。微孔结构遍布于胶体内部,确保了水分均匀分布。而内部的大尺寸通道可借助毛细效应有效的将水分从底部水体输运到蒸发表面,以实现持续的水蒸发。尤其值得注意的是,研究者发现,具有特定高分子/水比例的水凝胶可以加速水的挥发。进一步研究表明,这种促进作用来源于亲水高分子链和水分子的相互作用。这种相互作用可以有效降低水的相变焓(即水由液态变为气态所需要的能量),提高蒸发速率。

图2. 基于多级纳米结构水凝胶的日光海水淡化效果。图片来源:Nat. Nanotech.


通过调节交联程度,这种黑色的复合水凝胶在标准阳光照射下(1 kW m-2)可以实现约3.2 kg m-2h-1的水蒸发,即每平方米的复合水凝胶每小时可产水3.2千克,相应的太阳能利用效率可达94%。另一方面,这种凝胶可以直接用于太阳能海水淡化。在保持水分蒸发速率基本不变的条件下,可显著降低水分含盐度。以目前世界上最具代表性的海水盐度为例,包括盐度最低的波罗的海(0.8%)、世界海洋平均盐度(3.5%)以及盐度最高的死海(10%),基于这种凝胶的海水淡化过程可将水的盐度降低三至四个数量级,这种淡化水平远超世界卫生组织和美国国家环保局规定的饮用水淡化水平(图2c)。进一步的耐久性评测也去除了人们对这种水凝胶太阳能海水淡化性能稳定性的担忧,这一快速有效的海水淡化过程可以在较长的时间内保持稳定(图2d)。

图3. 基于多级纳米结构水凝胶的太阳能海水淡化系统模型。图片来源:Nat. Nanotech.


为了探索这种新材料在实际环境下工作的能力以及揭示其潜在的应用价值。研究团队模仿现行的家用太阳能海水淡化设备制作了凝胶海水淡化器模型(图3)。利用最廉价的塑料容器和管路,搭建了可直接利用自然光淡化海水的装置。实验结果证明,在没有任何聚光设备和真空装置辅助的情况下,该系统中每平米的复合水凝胶一天可生产18至25升高质量淡水,基本能满足一个家庭的饮用需要。


总体来说,这种凝胶材料具有以下显著的优点:(1)高效地利用相对较弱的自然光,不必依赖昂贵的聚光设备即可以较快的速度蒸发水分;(2)原料是常用的高分子材料,易于控制成本,且原材料具有较强的抗腐蚀抗老化能力,为性能稳定性提供了保障;(3)基于水凝胶材料特点,脱水状态重量较轻易于运输,饱水状态可弯折以裁剪,可作为太阳能水蒸发核心部件用于不同种类的海水淡化系统,具有可观的应用前景。另一方面,这项研究同时揭示出水与材料之间的相互作用在水蒸发过程中扮演的重要角色,为进一步探索和理解太阳能海水淡化中涉及的基本物理化学过程提供了新的视角。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Highly efficient solar vapour generation via hierarchically nanostructured gels

Fei Zhao, Xingyi Zhou, Ye Shi, Xin Qian, Megan Alexander, Xinpeng Zhao, Samantha Mendez, Ronggui Yang*, Liangti Qu*, Guihua Yu*

Nat. Nanotech., 2018, DOI: 10.1038/s41565-018-0097-z


导师介绍

余桂华

http://www.x-mol.com/university/faculty/37838

杨荣贵

http://www.x-mol.com/university/faculty/46695

曲良体

http://www.x-mol.com/university/faculty/8911


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