稻草妙用替代石墨烯制備氣凝膠實現高效率海水淡化

水是人類社會生存與發展必不可少的重要自然資源。但是,由於分佈不均,大量安全和清潔水資源的儲備有限,目前有超過10億人遭受飲用水短缺的困擾。太陽能蒸汽發電技術可能是目前使用可持續太陽能緩解飲用水短缺問題的最有前途的技術之一。光熱氣凝膠(PTMs),通過將太陽能轉換成熱量集中在其表面,快速地加熱和蒸發薄層水,從而實現高蒸汽速率和能量轉換效率。其中,三維(3D)的石墨烯氣凝膠是目前研究最廣泛和最接近實際應用的,其在太陽能產生蒸汽具有獨特優點,如重量輕,柔性高,蒸發速率和能量效率高等特性。然而,有一個比較嚴重的問題是石墨烯的價格相對昂貴,所以在實際生活中大規模應用該類PTM在經濟合理性上任具有非常大的挑戰性。因此,如果要讓3D氣凝膠PTM被市場所接受,就必須制定一種在不影響效率的前提下減少此類材料中石墨烯含量的策略。其中,實現這一目標的一種理想有效的方法就是使用生物質材料作為3D氣凝膠的骨架載體,替代所用的部分石墨烯。

【研究成果】

針對以上難題,近日,南澳大利亞大學徐浩蘭研究員(通訊作者),Daniel Peter Storer(第一作者)采用還原氧化石墨烯(RGO)納米片,海藻酸鈉(SA)以及從稻草中提取的纖維素作為原料制備瞭3D光熱氣凝膠,用於太陽能水蒸發獲取純凈水。研究結果表明,稻草纖維素作為支撐骨架發揮著重要作用,不僅減少瞭RGO的使用量,並且提高瞭所得光熱氣凝膠的機械穩定性和柔韌性。在RGO和SA含量相同的情況下,RGO-SA氣凝膠的體積為4.92 cm3,遠小於RGO-SA-纖維素氣凝膠(7.06 cm3)的體積,這表明稻草纖維素至少可以減少RGO 43.5%的使用量。與RGO-SA-纖維素相比,RGO-SA氣凝膠在被負荷(500 g)壓縮後無法恢復其原始形狀。此外,所制備的光熱RGO-SA-纖維素氣凝膠具有明顯的吸水能力,由於其多孔結構和超親水性,能夠吸收約自身重量20倍的水。並且,光熱氣凝膠顯示出96-97%的強寬帶光吸收率。在產生太陽蒸汽期間,3D光熱氣凝膠不僅有效地減少瞭輻射和對流能量損失,同時也增強瞭從環境中收集能量的能力,從而實現瞭2.25 kg m-2 h-1的極高蒸發速率,相當於在1.0陽光照射下的88.9% 能量轉換效率。離子測試結果顯示,實際海水蒸發過程中收集到的凈水鹽度僅為0.37 ppm。因此,生物質纖維素部分替代還原石墨烯使得該類光熱氣凝膠材料不僅環保且具有成本效益,在現實世界的海水淡化應用中具有巨大潛力和實際應用前景。該研究成果以題為“Graphene and Rice-Straw-Fiber-Based 3D Photothermal Aerogels for Highly Efficient Solar Evaporation”的論文發表在《ACS Applied materials and interfaces》上(見文後原文鏈接)。

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【圖文詳解】

1. RGO-SA-纖維素氣凝膠的制備

首先,將RGO納米片(1 mg mL-1)和SA(5 mg mL-1)與纖維素分散液合並,並通過超聲處理和攪拌充分混合以產生均質的黑色RGO-SA -纖維素懸浮液。然後,將黑色分散體(8.7mL)加入到3.2 cm直徑的容器中,預冷凍並冷凍幹燥。然後將制得的氣凝膠樣品浸入5%(w / w)的CaCl2水溶液中過夜,用Milli-Q水洗滌幾次,冷凍並冷凍幹燥,以生成適合的Ca2+交聯RGO-SA-纖維素氣凝膠用於太陽蒸發。通過控制RGO-SA纖維素分散液的用量,制備瞭不同高度的RGO-SA纖維素氣凝膠。

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圖1. (a)未經處理的稻草的數碼照片;(b)經過水熱處理的纖維素纖維懸浮液;(c)冷凍幹燥後的最終純纖維素;(d)氣凝膠RGO納米片的透射電子顯微鏡(TEM);(e)Ca2 +交聯後獲得的RGO-SA-纖維素氣凝膠的照片;(f)具有不同高度的RGO-SA-纖維素氣凝膠的照片; (g-i)RGO-SA-纖維素氣凝膠在三種不同的放大倍數下SEM圖像,(j)以及RGO-SA-纖維素氣凝膠的元素圖。(l)純纖維素氣凝膠和(m)RGO-SA-纖維素氣凝膠的XPS測量掃描(k)和高分辨率C 1s光譜。

2. 光熱氣凝膠機械性能和柔韌性

如圖2a,b所示,直徑為3 cm,高度為1 cm的RGO-SA-纖維素氣凝膠的密度僅為34.3 mg cm3;RGO-SA-纖維素氣凝膠超聲處理兩個周期(每個周期5分鐘)後,沒有觀察到任何的黑色物質從氣凝膠中脫落(圖2c, d),樣品保持著非常好的完整性。此外,在室溫(RT)下,濕潤的RGO-SA-纖維素氣凝膠(直徑3厘米×厚度1厘米)可以輕松支撐約206 g的重量(如圖2e),其重量是其自身重量的940倍以上 ,沒有任何變形的跡象。同時,RGO-SA-纖維素氣凝膠也顯示出優異的柔韌性。當堆疊在RGO-SA-纖維素氣凝膠上的兩個銅立方體(每個500克)擠出瞭所有吸附的水(圖2g)時,除去銅立方體後,氣凝膠能夠重新吸收水並恢復其原始形狀(圖2f,h)。

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圖2.支持RGO-SA-纖維素氣凝膠的花朵(a)和去除氣凝膠樣品(b)後的同一朵花朵的數碼照片。將RGO-SA-纖維素氣凝膠浸入水中,並在第1天(c)超聲處理5分鐘,然後浸入水中24 h,然後在第2天(d)再次超聲處理5分鐘後的照片。 數碼照片顯示濕的RGO-SA-纖維素氣凝膠對206 g的拉重的機械穩定性(e) RGO-SA-纖維素氣凝膠在壓縮之前(f),過程中(g)和之後(h)的照片,重量為1 kg。

3. 光熱氣凝膠的吸光性和吸水性

光吸收性能是表征光熱氣凝膠應用於太陽能水蒸發的重要參數之一。與純纖維素氣凝膠相比,RGO-SA-纖維素氣凝膠在整個紫外線−−近紅外(NIR) (290 – 1400 nm)測量范圍內都顯示出更高的光吸收率(91.5-93%)(圖3a)。樣品用水潤濕後,在相同光范圍內,光吸收率反而進一步提高到96-97%(圖3a)。這主要的原因是引入折射率介於空氣和RGO之間的水層可以減少總反射損耗,從而提高光吸收率。光熱氣凝膠的親水性通過水滴在0.2 s內的快速吸收得到證實(圖3d)。當將RGO-SA-纖維素氣凝膠放在棉塊的上表面時,它在20 s內被水完全潤濕(圖3e),從而確認瞭棉塊和氣凝膠之間的有效水轉移。

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圖3. 純纖維素氣凝膠以及幹濕RGO-SA-纖維素氣凝膠的吸收光譜(a)。 產生太陽能蒸汽的測試裝置的數碼照片(b,c),光熱氣凝膠吸收水滴的延時快照(d),以及從棉塊到光熱氣凝膠的時間依賴性水傳輸(e ),其中白色虛線表示光熱氣凝膠表面上幹濕區域之間的邊界。

4. 光熱氣凝膠的太陽能-熱能-水蒸發轉換效率

在1.0 太陽光照下,RGO-SA-纖維素氣凝膠(直徑3 cm,厚度1 cm)的蒸發表面的平均溫度在1分鐘內從最初的18.3°C升高到24.9°C(如圖4a),表明氣凝膠表面具有非常快速地光熱能量轉換。隨著光熱氣凝膠高度的增加,氣凝膠的表面溫度的降低瞭(圖4a,d),對於2厘米和3厘米高的氣凝膠,表面溫度僅分別為31.8和30.7°C。較低的表面溫度更有利於水蒸發,因為太陽蒸發過程中較低的表面溫度將導對環境的輻射和對流損失減。對於高度分別為1、2和3 cm的RGO-SA-纖維素氣凝膠,在1.0個太陽照射下計算出的蒸發速率分別為1.37、1.85和2.25 kg m-2 h-1。

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圖4. 在1.0陽光照射下,不同高度的光熱氣凝膠的頂部蒸發表面的溫度-時間依賴性(a)和水的重量損失-時間依賴性(b)。 在1.0陽光照射下(c-e)蒸發期間,具有不同高度(從左到右分別為1、2、3 cm)的RGO-SA-纖維素氣凝膠的紅外圖像。 初始頂部蒸發表面(c),處於穩定蒸發狀態的頂部表面(d)和處於穩定蒸發狀態的側面(e)的紅外圖像。

5. RGO – SA -纖維素氣凝膠用於海水淡化的實際可行性

通過電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)測量在1.0陽光照射下從海水蒸發中收集的水的鹽度。如圖5a所示,收集到的蒸汽中Na+和Mg2+的濃度均遠低於原始海水中的濃度,所有四種主要離子的濃度(K+:0.19 ppm,Ca2+:0.15 ppm,Na+:0.37 ppm ,並且產生的蒸汽中的Mg2+:0.04 ppm)遠低於世界衛生組織(WHO)的可飲用水淡化水標準確定的鹽度水平。並且,在太陽能蒸發期間沒有觀察到鹽在蒸發表面上的沉積。由於光熱氣凝膠的超親水性和出色的吸水能力,表面上的鹽離子可以迅速擴散到水中,以抵消蒸發表面上的鹽度增加。RGO-SA-纖維素氣凝膠的穩定性通過在1.0太陽輻射下的循環性能測試來評估海水的過量蒸發。在為期2天的測試的15個循環中,平均蒸發速率為2.0±0.2 kg m-2 h-1(圖5b)。蒸發速率的輕微變化是由於環境濕度和溫度的波動所致。

由於RGO-SA-纖維素氣凝膠超親水性和多孔的結構,其具有出色的吸水能力。對於3厘米高的光熱氣凝膠,可以吸收其自身重量20倍以上的水(圖6a,b),這使太陽能蒸汽產生而無需與外部大量供水接觸。對隔離的光熱氣凝膠在1.0太陽照射下連續蒸發8小時的研究發現,在第一個小時內,蒸發速率達到1.60 g h-1(T:25°C,RH:24.6%),接下來的一小時(T:25°C,RH:27.7%)任具有1.46 g h-1的蒸發速率。此外,由於光熱氣凝膠的親水性和出色的機械柔韌性,可以通過補充水迅速恢復。補充水後,同一RGO-SA-纖維素氣凝膠,在1.0個太陽光照射下,其初始蒸發速率又返回到1.45 g h-1(T:25°C,RH:27.5%)。

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圖5.太陽熱蒸發過程中收集的原始海水和冷凝蒸汽中的離子濃度(a)。在1.0陽光照射下,高度為3 cm的RGO-SA-纖維素氣凝膠的循環蒸發性能(b)。
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圖6.數碼照片顯示瞭吸水前(a)和吸水後(b)的光熱氣凝膠的重量變化,以及在1.0陽光照射下分離的RGO-SA-纖維素氣凝膠(高3 cm)隨時間的重量損失 (c)。

【小結】

在3D RGO-SA-纖維素光熱氣凝膠中,稻草纖維素晶體作為骨架支持物,其不僅增強瞭光熱氣凝膠的柔韌性和機械穩定性,並且在保證優異的光熱效率的同時大幅度減少昂貴的RGO的使用量。所獲得的RGO-SA-纖維素氣凝膠具有滿足太陽能蒸發應用的多個優異特性,如親水性多孔結構,重量輕,寬帶光吸收強,可重復使用,機械穩定性和出色的柔韌性等特性。在3 cm高的光熱RGO-SA-纖維素氣凝膠上進行1.0次太陽輻照時,達到瞭2.25 kg  m-2 h-1的穩定蒸發速率,相當於88.9%的能量轉換效率。並且,通過該類型光熱材料獲得凈化水可以輕松滿足WHO和USEPA設定的清潔飲用水標準。

原文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.0c01707

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