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    中國科大俞書宏院士團隊開發了一種可持續生物合成仿生多層級太陽能蒸汽發生器
    2020-07-14  來源:中國聚合物網

      目前,世界人口的五分之一生活在缺水地區。對于這些地區的人們來說,尤其是在缺少穩定電力的地區,獲得干凈的飲用水通常是一項艱巨的任務。因此,迫切需要一種高效,低成本,可持續和簡單易得的技術和設備來產生清潔的飲用水。太陽能是地球上最豐富和廣泛的資源之一。太陽能凈水技術簡單有效,可從不可飲用的水源(如湖水,污水或海水)中獲得干凈的飲用水。


      近日,中國科學技術大學俞書宏院士團隊開發了一種基于細菌纖維素納米復合材料的高效且可持續的仿生多層級太陽能蒸汽發生器(HSSG)。該HSSG是通過一步氣溶膠輔助生物合成過程制造的。經過設計的微生物合成過程成功地與納米材料的氣溶膠沉積技術相結合,并且直接高效地構建了復雜的仿生層級結構。該HSSG的分層結構包含三個具有不同功能的連續層,包括碳納米管與細菌纖維素復合的光吸收層,玻璃微珠與細菌纖維素復合的隔熱層以及用于支撐和輸水的木質基材(圖1)。在HSSG中,細菌纖維素水凝膠的三維纖維素納米纖維網絡顯著降低了將液態水轉化為蒸汽的能耗并加速水汽化。由于這種仿生結構設計和納米網絡降低了蒸發焓,HSSG可以實現2.9 kg m-2 h-1的高蒸發速率和80%的太陽能轉化效率。論文在線發表在Nano Letters上(Nano Letters 2020, 10.1021/acs.nanolett.0c01088)。


    圖 1. 可持續生物合成多層級太陽能蒸汽發生器制備過程。(A) 通過氣溶膠輔助生物合成技術在木材基材上構造玻璃微珠/細菌纖維素隔熱層。HSSG核心部件示意圖,玻璃微珠/細菌纖維素復合層可以阻止向下的熱流并允許水快速向上傳輸。同時頂部的碳納米管/細菌纖維素層可有效吸收光并產生蒸汽。(B)利用碳納米管(CNTs)的氣溶膠通過氣溶膠輔助的生物合成過程在隔熱層上構造光吸收層。(C) 多層級太陽能蒸汽發生器結構示意圖。(D)木質基底結構圖,木質基底具有可以有效輸送水的篩管結構。(E)玻璃微珠嵌入纖維素納米纖維的網絡中,形成了具有出色水傳輸能力的高效隔熱層。(F) CNTs與纖維素納米纖維纏結,形成具有光吸收能力的水蒸發層。


    圖 2. 可持續生物合成多層級太陽能蒸汽發生器工作原理。(A) HSSG核心部件示意圖,玻璃微珠/細菌纖維素復合層可以阻止向下的熱流并允許水快速向上傳輸。同時頂部的碳納米管/細菌纖維素層可有效吸收光并產生蒸汽。(B)效率與蒸發速率的關系圖,包含了本文報道的HSSG和文獻中的部分工作。圖表中的X軸表示器件的蒸發速率,圖表中的Y軸表示器件的太陽能轉化效率。


      在該HSSG中,分層結構的納米復合材料在木質基底上生長,并通過納米纖維的BC網絡與基底緊密結合。細菌纖維素納米纖維與木材的纖維素交聯,形成緊密的滲透層,該滲透層在基底和BC納米復合材料層之間起著牢固的粘合劑的作用。這種結構確保了從基底到BC納米復合材料層的快速水傳輸,并使它們牢固地附著在基底上。這為隔熱和水傳輸提供了結構基礎。玻璃微珠是微米級的空心玻璃球,其鑲嵌分布在細菌纖維素的三維網絡中,為隔熱和水輸送提供了結構基礎。在該器件的頂部,碳納米管和細菌纖維素納米復合材料層具有復雜的交錯結構,其中碳納米管和纖維素納米纖維形成了納米尺度的雙重網絡。在這種雙網絡結構中,碳納米管網絡起著高效的光吸收劑的作用,而細菌纖維素納米纖維網絡則用于輸送水和減少蒸發的能量消耗。基底、玻璃微珠/細菌纖維素層和碳納米管/細菌纖維素層的這種多層結構設計方案旨在實現快速的水傳輸、熱管理、有效的光吸收和減少的汽化能耗。


      此外,為了更方便研究蒸發速率,能量轉化效率和蒸發能量消耗之間的關系,該研究團隊還提出了一種新穎的二維圖表分析方法,其中的指導線顯示了不同的蒸發焓。這種理論分析方法可用以分析太陽能蒸汽發生器器件中不同功能部件對蒸發速率的貢獻。


      與其他太陽能凈水技術相比,這種HSSG蒸汽發生器在蒸發率、能量轉化效率、可持續性和成本方面具有很大的優勢,有望發展成為未來水凈化中的新的技術途徑。


      該研究受到國家自然科學基金委創新研究群體、國家自然科學基金重點項目、中國科學院前沿科學重點研究項目、中國科學院納米科學卓越創新中心、合肥綜合性國家科學中心等資助。


      論文鏈接:

      https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.0c01088

      https://acs.altmetric.com/details/85424078/news

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