Solar Energy|石墨烯/聚苯胺纳米复合材料涂层的耐盐分层多孔木材海绵材料用于界面太阳能蒸汽生产和废水处理

研究背景

近年来，全球威胁越来越关注水资源短缺和能源危机。解决这些挑战的一个有希望的解决方案是太阳能驱动的界面水蒸发技术的进步，这项技术以其效率、便携性、生态友好性和应急能力而闻名。这项创新技术提供了多种应用，包括空气/水界面的太阳能蒸汽产生、太阳能海水淡化、废水处理和太阳能发电。通过利用可再生太阳能，界面水蒸发有可能减轻或消除与依赖化石燃料消耗的传统工业方法相关的有害影响。该方法的实质是将太阳能转化为热能，通过光热效应促进水在空气/水界面的蒸发。这一过程涉及到利用光热吸收剂，通常由光热材料和衬底组成，以有效地将太阳光子转化为驱动水蒸发的热量，因此，开发具有高光吸收和低反射率的光热材料至关重要，该光热材料在紫外-可见-近红外(UV-Vis-NIR)波长的广谱范围内，以创造局部热区。此外，基材应表现出亲水性，以促进在空气/水界面或热区供水，并以低导热系数集中热量进行有效蒸发，并允许蒸汽通过多孔结构逸出。优化光吸收剂对于提高蒸发速率和效率至关重要。然而，光吸收器的一个主要挑战是它们的长期稳定性，特别是在太阳能脱盐的盐水和高盐度水。光吸收器表面和孔隙上的盐沉积会导致光反射、热对流和辐射的增加，并阻碍水的运输，从而导致蒸发过程中更高的能耗。

各种光热材料已经被研究过，如金属、半导体、MXene 、碳质材料、聚合物或它们的组合。虽然这些材料能有效地利用和将太阳能转化为热量，但一个显著的缺点是它们缺乏稳定性和对太阳能除盐盐水中常见的盐离子的耐盐性。在各种光热材料中，石墨烯等碳基纳米材料因其独特的性能而受到了广泛的关注。特别是石墨烯，它因其增强的太阳光吸收、在不同pH水平上强大的化学稳定性、抗盐污染、氧化还原弹性、通过化学掺杂可调节的导热系数、成本效益、充足的可用性和生物相容性而闻名。在通过太阳照射进行海水淡化的背景下，石墨烯的π共轭结构能够吸收太阳光子。在吸收时，光激发电子通过电子-声子耦合回到其基态，从而产生热。然而，用石墨烯基材料，如石墨烯薄片（GF）观察到的一个共同挑战是，由于石墨烯层或薄片之间存在强烈的强π-π相互作用，它们倾向于团聚。这种团聚导致了重新堆积，显著减少了可用于太阳吸收的表面积和蒸发表面积，从而阻碍了GF之间的传热。为了抵消这种自重堆积效应，人们已经探索了涉及GF和其他光热材料的复合材料的形成，如能够建立π-π相互作用或氢键的聚合物。这些复合材料有助于减轻GF的团聚，从而保持太阳吸收的有效表面积，促进有效的传热。利用多孔离子聚合物（PIPs）来修饰石墨烯，不仅减轻了重新堆积的问题，而且还提高了耐盐性。PIPs排斥盐离子的能力归因于它们通过“唐南效应”对离子网络的排斥。此外，PIPs的孔隙率也促进了蒸汽逃逸。一个著名的PIPs，聚苯胺（PANI）由于其优越的生物相容性、太阳热转换能力、粘附性、亲水性、耐盐性、高导电性比、灵活性、低成本和易于制备，在能量转换和生物医学领域获得了广泛的关注。此外，PANI可以通过质子化从其醛丁碱（EB）形式转化为醛丁盐（ES）形式，从而产生红移，增强NIR吸收和光热转换能力。Zou等在商用聚偏氟乙烯（PVDF）上成功制备了EB和ES形式，在1太阳（1太阳=1 kW m −2）下蒸发率为1.41kgm -2h -1。Peng等在疏水PVDF微过滤膜表面合成了垂直排列的PANI纳米纤维层，在1次阳光照射下，蒸馏通量为1.09kgm -2h -1。Wang等人设计了一种自浮多孔碳/帕尼泡沫（PCPF）蒸发器，用于高效的太阳能蒸汽产生，3：5比例的PCPF在1次日照下的最高蒸发速率为1.4296kgm -2h -1。Kospa等在滤纸蒸发器上制备了一种抗盐和拒油的氧化氧化石墨烯（rGO）/PANI复合材料，通过一种简单的方法，蒸发速率为2.02kgm -2h -1。

尽管多次尝试使用PANI聚合物设计光吸收剂，但其中许多基物面临着非生物降解性、机械性能弱、缺乏柔韧性或盐耐受等问题。相反，木材作为一种环保的基材，具有低导热系数和亲水性表面，使其成为太阳能蒸汽发电的流行选择。垂直排列的木细胞腔，直径从几十到几百微米，可以促进毛细管作用，将水分子泵向上。然而，在光照条件下，经过短时间的使用后，木材的表面和孔隙积累了盐离子，导致太阳反射率增加，蒸发率降低。虽然有几种策略可以消除底物中的盐晶体，如周期性操作、物理洗涤和疏水改性。这些方法通常很昂贵，缺乏持久性，并且消耗大量的时间。木材的脱木质素化是改变木材形态和化学成分以生产木材海绵（WS）的关键策略。这一过程不仅溶解了盐离子，避免了它们的积累，而且还通过增加其比表面积，放大了与光热纳米材料的相互作用。因此，这增强了对太阳的吸收，增强了材料的整体有效性。与天然木材相比，脱木质素木材在盐水除盐方面的性能有几个关键原因：

1-减少干扰：木质素是木材的一种成分，可以与水中的盐和其他物质相互作用，可能导致抗盐过程中的污染和效率降低。脱木质素木材，缺乏木质素，最小化这种相互作用，允许更好的盐排斥。

2-增加孔隙度：脱木质素通常会增加木材的孔隙度，为水创造更多的流动途径，同时限制盐离子的通道。这种增强的孔隙率提高了拒盐机制的有效性。

3-改善结构稳定性：与常规木材相比，脱木质素木材通常表现出更高的机械强度和稳定性，这有利于随着时间的推移保持防盐系统的完整性，特别是在恶劣的防盐环境中。

4-增强表面化学：脱木质素可以改变木材的表面化学，促进有利于盐离子吸附或排斥的相互作用，从而有助于更好的抗盐能力。

脱木质素后，WS的主要化学成分变成纤维素，大量半纤维素从细胞壁中提取出木质素。因此，由于含有丰富的纤维素羟基，WS显示了超亲水性表面。此外，采用冰模板方法可以将木材垂直排列的微通道和蜂窝结构转化为分层多孔和灵活的网络。

在这项研究中，研究者们介绍了一种创新的方法，通过多步骤的过程来创建分层多孔和灵活的WS结构。这涉及到轻木(NW)的脱木质素和冷冻干燥，成功的涂层程序使用GF/聚苯胺纳米复合材料。最初，GF与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)结合，作为亲疏水粘合剂，确保其融入WS。随后，用GF在改性后的WS内原位合成聚苯胺，并在GF层间密集生长。GF/PANI纳米复合材料的协同效应降低了电子转移电阻率，导致水蒸发的热量增加。由于GF的抗盐特性、PANI纳米管的离子网络以及柔性WS结构的分层多孔结构的存在，所产生的光吸收器显示出了自清洗特性。石墨烯基材料的疏水性在太阳能脱盐过程中的拒盐中起着至关重要的作用。GF的疏水作用可以防止水和盐附着在GF浸渍点上，从而排斥盐晶体。此外，光吸收剂的机械强度增强，而导热系数降低。光吸收器被放置在一个钻孔的绝缘体泡沫的顶部，为供水创造了一条单一的水路，有效地减少了太阳能脱盐过程中的热量损失。在1个太阳光照下，该吸收剂的蒸发通量为1.49 kg m −2 h −1，光热效率高达95.51%。重要的是，在1个太阳照射下连续10个循环中，光吸收器表面没有观察到盐沉积。此外，所制备的光吸收剂在各个领域都显示出了良好的应用前景，包括废水处理、染料污染海水的净化以及酸性和碱性海水的脱盐。

相关成果以“Salt-resistant hierarchically porous wood sponge coated with graphene flake/polyaniline nanocomposite for interfacial solar steam production and wastewater treatment ”为题发表在国际知名期刊《Solar Energy》上。

研究结论

在本研究中，受树木水分输送机制的启发，研究者们设计了一种涂有GF/PANI纳米复合材料的柔性WS来制备GF/PANI-WS光吸收剂。通过脱木质素化过程，WS获得了值得称赞的特性，包括低导热性、特殊的机械强度和耐盐性，使其成为一种理想的基底。我们对GF/PANI-WS的能量转换能力的研究旨在探讨其在淡水生成和废水处理中的潜在应用。GF和PANI之间的π-π相互作用所产生的协同作用显著增强了界面电荷转移，导致电化学电阻降低。因此，这促进了大量的热量产生，这对水分子的蒸发至关重要。在1个太阳照射下，GF/PANI-WS光吸收剂的蒸发通量达到1.49 kg m −2 h −1，转化效率高达95.51%。通过对隔离界面系统的研究，我们观察到热量主要通过传导(0.88%)、传导(1.03%)、对流(1.97%)和辐射(2.58%)向周围环境散失。这些发现强调了我们的光吸收剂优越的太阳能-热转换性能。此外，GF/PANI-WS的耐盐性通过掺入GF的疏水性、PANI离子网络中的Donnan效应以及WS的分层多孔结构得到了显著提高。因此，在对光吸收器进行10次太阳能脱盐循环后，没有发现盐晶体沉积在其表面。此外，对海水和废水进行的抗盐评估的经验证据验证了GF/PANI-WS显著的耐盐性。通过pH和电阻测量，我们评估了脱盐海水、纯化废水和有机染料污染海水的质量。这种GF/ PANI-WS光吸收剂纯化了酸性和碱性海水，使其接近中性的pH。这些在太阳能淡化和废水处理中的多方面应用使GF/PANI-WS作为一种很有前途的光吸收剂，适用于实际规模的工业实施。GF/PANI-WS所展示的广泛能力突出了其在解决与淡水短缺和废水管理相关的关键挑战方面的潜力，预示着实际工业规模应用的良好前景。

研究数据

图1：(A)GF/Pani-WS中 (B)相互作用的制备示意图。

图2：(A) XRD模式的西北，WS，GF/PANI-WS (B) FTIR光谱GF，NW，WS，GF/PANI-WS和(C)紫外线可见光谱WS和GF/PANI-WS (D)数字和红外图像WS和GF-PANI-WS在1太阳照射后1 min (E)润湿性GF/PANI-WS (F)的循环应力应变曲线(G)数字图像WS和GF/PANI-WS放在一朵花。(H) WS (I) GF/PANI-WS的500 g校准重量图片下的压缩-释放周期。

图3：(A) WS (B) GF/PANI-WS的SEM图像，(C)WS(D)GF/Pani-WS的EDS图像。

图4：GF/PANI纳米复合材料的(A) FESEM (B) EDX (C)元素定位。

图5：(A)示意图表示隔离系统与光吸收器(B)质量每单位面积的变化(C)效率和蒸发通量的海水，WS，和GF/PANI-WS超过40 min在1太阳太阳照明(D)循环性能评价GF/PANI-WS在1太阳下，质量变化面积GF/PANI-WS在1太阳下(E)周期1(F)周期10。

图6：(A)GF、PANI和GF/PANI的EIS图，图中显示了等效电路(B)GF、PANI和GF/PANI纳米复合材料与zeta载流子电位的迁移率。

图7：干湿状态下WS和GF/PANI-WS的(A)红外图像，40 min照射下WS和GF/PANI-WS的表面温度。

图8：(A)WS和GF/PANI-WS在干态和湿态下的导热系数。(B)WS和GF/PANI-WS在10个循环中的吸水能力(C)三个传感器在1日光照下40 min记录的海水温度(D)通过传导、对流和辐射造成的各种热损失示意图。

图9：海水淡化前后(A)海水(B)废水的离子浓度(C)海水淡化前后海水和废水与生活水的电阻。

图10：(A)有机染料污染海水的紫外可见光谱，插图显示了这些样品的数字图像(B)有机染料污染海水冷凝前后的电阻。用pH指示剂测试的(C)酸性和(D)碱性海水的照片。海水淡化前后碱性海水的ph值用蓝色虚线表示。

https://doi.org/10.1016/j.solener.2024.112707

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