中国矿业大学：自推进气凝胶太阳能蒸发器用于高效太阳能海水净化

【摘要】

太阳能蒸发器被认为是解决水资源短缺问题的一种前瞻性方法。最近，中国矿业大学胡振琪教授、王虹教授团队报告了一种基于气凝胶的太阳能蒸发器，具有自推进和自修复行为，可实现有效的海水淡化和增强的重金属去除。气凝胶太阳能蒸发器由具有不对称金沉积层的席夫碱水凝胶通过简单的冷冻干燥方法制备。

水凝胶由壳聚糖和二醛淀粉组成，Au层产生热梯度来驱动气凝胶太阳能蒸发器的自推进。此外，席夫碱水凝胶中涉及的动态连接使气凝胶太阳能蒸发器具有在外部损坏时的自愈能力。同时，使用席夫碱骨架作为气凝胶蒸发器与水分子之间的相互作用位点，以降低水的蒸发焓。

此外，气凝胶蒸发器被设计成小椭圆球体和多孔结构，这为气凝胶蒸发器提供了优异的水蒸发行为，在 1 太阳光照射下，在天然海水中的蒸发率为 3.12 kg m-2 h-1。这种太阳能蒸发器的自推进能力和自愈性能提供了净化效率提高、耐久性好、稳定性好（第10天保持88.2%以上）和高抗盐性（200 g·kg-1保持80%）等优点。更值得注意的是，水中的重金属离子在蒸发后已被有效去除至可饮用的水平。这些结果证明自走式气凝胶太阳能蒸发器在现场海水淡化和净化的实际应用中具有广阔的前景。相关论文以题为Self-Propelled Aerogel Solar Evaporators for Efficient Solar Seawater Purification发表在《Langmuir》上。

【主图导读】

图 1. (a) 示意图制造过程、(b) 结构示意图、(c) FTIR 光谱、(d) SEM 图像和 (e) 气凝胶蒸发器的 EDS 映射。

图 2. 近红外光下气凝胶蒸发器的运动轨迹，功率为 (a) 1.5 和 (b) 2 kW m-2，持续 6 秒。(c) 在 NIR 光下气凝胶蒸发器的 MSD-Δt 图。

图 3. (a) 气凝胶蒸发器自修复过程的 SEM 图像。愈合后的气凝胶微电机在近红外光下的运动轨迹，功率为（b）1.5 和（c）2 kW m-2，持续 6 秒。（d）在近红外光下原始和愈合的气凝胶蒸发器的速度。

图4. (a) 气凝胶蒸发器的吸收光谱和 (b) 水接触角。

图 5. 气凝胶蒸发器在 1 太阳光照射下的水分蒸发性能。(a)气凝胶蒸发器上表面的温度变化，水蒸发过程中气凝胶底部和正下方的水。(b) 质量随时间的变化。(c) 连续海水蒸发实验。(d) 盐度范围为 0 至 300 g kg-1 时的耐盐性能。

图 6. (a) 太阳能脱盐性能和 (b) 气凝胶蒸发器的金属离子吸附行为。

【总结】

团队通过简单的冷冻干燥方法制造了自走式气凝胶蒸发器。由席夫碱水凝胶和沉积的金层组成的气凝胶蒸发器被设计成具有高度多孔结构的椭圆形。在1个太阳光照下，自来水蒸发速率可达3.2 kg m–2 h–1，天然海水蒸发速率可达3.12 kg m–2 h–1。蒸发器的自推进，由 Au 层产生的热梯度驱动，增加了一个特殊的运动维度来执行现场净化任务，并提供了通过自搅拌提高效率的可能性。同时，动态席夫碱键和氢键赋予的自修复性能使气凝胶蒸发器具有良好的耐久性和稳定性。此外，席夫碱与金属离子螯合的能力减少了蒸发后水中的重金属离子。其在海水淡化和重金属去除方面的优异性能以及自愈和自推进特性为实用的现场太阳能水净化提供了可能性。

参考文献：

doi.org/10.1021/acs.langmuir.1c01387

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