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    唐本忠院士團隊深大AIE研究中心王東副教授:摻雜AIE全纖維氣凝膠實現“日出而作,日落而息”界面水蒸發
    2020-06-03  來源:高分子科技

      近日,深圳大學AIE研究中心在ACS Applied Materials & Interfaces上發表了題為“Doping AIE Photothermal Molecule into All-Fiber Aerogel with Self-Pumping Water Function for Efficiency Solar Steam Generation”的研究論文(ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, DOI: 10.1021/acsami.0c06181)。報道了一種同時具有優異的光熱性能和自抽水特性的全纖維氣凝膠,系統考察了材料結構、分子性能和太陽光誘導界面水蒸發之間的構效關系,并首次將聚集誘導發光分子用于海水淡化等水處理領域


    圖1. 多孔、輕質的全纖維氣凝膠的表征及應用示意圖


      隨著人類社會的發展,水資源日益短缺。從海水中低成本、可持續地純化制備淡水是未來發展的必由之路,特別是沿海城市以及海島城市對海水淡化的需求日益凸顯。近年來,界面光蒸汽轉化的概念被提出。界面光蒸汽轉化是指太陽光被充分吸收并被轉換成熱能,而且能量僅持續傳遞給水與空氣界面的水分子,使之不斷轉化為蒸汽。該方法無需將水溶液整體加熱到沸點即可高效產生水蒸汽,有效地解決了光學和熱學損耗問題,使其轉化效率大幅提高(>90%)。對海水淡化、污水處理、殺菌等具有重要意義。在該工作中,研究團隊利用空間結構松散聚集誘導發光(AIE)分子與納米纖維摻雜,隨后制備成具有大孔隙與輕質量的全纖維氣凝膠。結果表明該氣凝膠具有出色的光熱效果和空間隔熱能力。


    圖2. 具有自抽水氣凝膠的制備與表征


      這種全纖維氣凝膠具有良好的疏水性能,能夠很好地漂浮在水體表面,避免了整體加熱導致熱量流失的弊端。然而,僅依靠內相連孔徑產生的毛細力仍不足以將底部的水抽到頂部加熱層,為此,研究人員創新性地結合等離子體處理和靜電噴涂工藝使得全纖維氣凝膠的一面永久性地獲得親水性。通過親水作用和毛細作用,全纖維氣凝膠可以在100秒內自發地將表面全部潤濕,實現單根纖維發熱、加熱纖維表面浸潤的水,最大化地提高加熱效率。


      在模擬太陽光下,漂浮在含有3.5%氯化鈉的模擬海水表面的全纖維氣凝膠表現出了良好的光熱性能,分別在1、2、3個模擬太陽光照下,可以在2分鐘內升高到41、50和59℃。其蒸發速率可以分別達到1.43、2.79和3.57 kg m-2 h-1,與之對應的蒸發效率分別為86.5、90.5和78%。表現出了優異的太陽光誘導界面水蒸發性能,并且在長時間(8小時)太陽光照射下,其蒸發性能并無太大變化,展現了較高的使用壽命和抗析鹽能力。


    圖3.全纖維氣凝膠模擬太陽光誘導界面蒸汽產生性能表征


      在自然光照射條件下,測試了全纖維氣凝膠在一天內的水蒸發性能,結果表明,上午期間的蒸發速率一直處于上升階段,在下午兩點達到最高值:1.58 kg m-2 h-1,隨后開始下降至日落,其一天的水蒸發速度可以達到10.9 kg m-2 d-1。此外,由于自抽水特性,于日落之后,全纖維氣凝膠表面仍處于潤濕狀態,能夠溶解白天水蒸發后析出的微量鹽結晶,實現自清潔的能力。并不影響第二天的甚至長久持續的工作。此工作報道了第一例用于海水淡化領域的AIE分子,不僅拓寬了有機光熱分子的應用領域,也為下一代高效、長效和可持續的水凈化工程提供了有價值的參考。


    圖4.全纖維氣凝膠在自然光條件下一天的水蒸發速率


      該論文的第一作者是深圳大學AIE研究中心李昊軒博士王東副教授為論文第一通訊作者,深圳大學材料學院AIE研究中心榮譽主任唐本忠院士為共同通訊作者。論文得到了深圳大學李杰博士黃佳昌博士溫海飛同學的支持和幫助。該研究得到國家自然科學基金,廣東省自然科學基金,深圳市自然科學基金及深圳大學自然科學基金等經費支持。


      論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c06181

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