科研進(jìn)展
蘭州化物所海水淡化光熱界面蒸發(fā)研究取得新進(jìn)展
水資源短缺引發(fā)人類(lèi)越來(lái)越多的關(guān)注，急需尋找經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)的方法凈化海水。太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的界面水蒸發(fā)利用太陽(yáng)能界面集熱的方式實(shí)現(xiàn)海水淡化，是最有希望獲得高質(zhì)量淡水的方法之一。為實(shí)現(xiàn)高效的蒸發(fā)速率和光熱轉(zhuǎn)化效率，大量研究工作側(cè)重于太陽(yáng)能蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料的選擇上，尤其是對(duì)寬光譜吸收率光熱轉(zhuǎn)換材料的選擇。過(guò)去的十幾年，大部分光熱轉(zhuǎn)化材料都是圍繞等離激元材料、碳材料和半導(dǎo)體材料進(jìn)行。過(guò)渡金屬氮化物成本低，可作為一種可替代Au、Ag等離激元材料的金屬導(dǎo)電陶瓷材料。開(kāi)展超高溫陶瓷作為等離激元材料的光驅(qū)動(dòng)界面水蒸發(fā)應(yīng)用具有重要意義。
中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所清潔能源化學(xué)與材料研究室低碳能源材料組高祥虎副研究員、劉剛研究員團(tuán)隊(duì)，致力于超高溫陶瓷碳化物和硼化物在界面蒸發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用研究。
研究人員制備出ZrC光熱轉(zhuǎn)化薄膜并將其組裝于2D水通道蒸發(fā)結(jié)構(gòu)中，制作了具有95%太陽(yáng)光吸收能力的界面蒸發(fā)裝置（圖1）。蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)表明，該裝置的水蒸發(fā)率可達(dá)1.43 kg·m-2·h-1，光熱轉(zhuǎn)化效率為98%，這一結(jié)果高于之前報(bào)道的Au、Ag和過(guò)渡金屬氮化物的蒸發(fā)性能，證明了超高溫陶瓷碳化物具有優(yōu)良的等離激元應(yīng)用前景（Chemical Engineering Journal , 2022, 429, 132014）。
圖1. ZrC組裝的2D界面蒸發(fā)結(jié)構(gòu)及其性能
基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究人員又選用ZrB2作為吸光材料，將其與3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）混合刷涂于硅酸鋁陶瓷纖維板表面，制備出具有優(yōu)異光吸收能力（α=95%）的耐鹽污界面蒸發(fā)裝置（圖2），該裝置的水蒸發(fā)率高達(dá)2.07 kg·m-2·h-1。研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)硅酸鋁陶瓷纖維板內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)可與水結(jié)合生成過(guò)渡水，水狀態(tài)的改變極大地降低了水蒸發(fā)所需的能量，從而獲得了超出理論極限值的蒸發(fā)效率。此外，孔陣列排布可改善裝置的耐鹽污能力，使其能夠長(zhǎng)期、高效、穩(wěn)定應(yīng)用于海水蒸發(fā)（Chemical Engineering Journal, 2022, 431, 134333）。
圖2. ZrB2組裝的界面蒸發(fā)結(jié)構(gòu)及其耐鹽污能力
上述工作開(kāi)發(fā)出了兼具優(yōu)良光吸收性能和海水淡化能力的界面蒸發(fā)裝置，拓展了高效光熱界面蒸發(fā)材料的選擇。艾森博士為上述論文第一作者，高祥虎副研究員和蘭州交通大學(xué)陳永志教授為通訊作者。
該工作得到了中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、中科院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃區(qū)域重點(diǎn)項(xiàng)目和甘肅省科技重大專(zhuān)項(xiàng)的支持。
