江苏科技大学施伟龙/郭峰CEJ: 碳点赋能3D水凝胶基蒸发器:双重提升结构稳定性与光热转换效率

研究背景

随着全球水资源短缺问题日益严重，基于太阳能驱动的水蒸发技术被认为是解决这一问题的环保且成本效益高的策略。在这个过程中，蒸发器的结构稳定性和光热转化效率至关重要。近年来，研究者们尝试利用多种材料（如碳基材料、高分子水凝胶、生物质材料、金属纳米粒子等）来构建具有高效光热转化和稳定供水能力的太阳能蒸发器。水凝胶因其三维多孔亲水网络结构和优良的光捕获能力，逐渐成为制备太阳能蒸发器的理想材料。然而，基于海藻酸钠（SA）的水凝胶蒸发器在机械性能和结构稳定性方面存在不足，如易破裂、变形和降解，限制了其长期稳定运行。为此，研究人员致力于改进SA基水凝胶蒸发器的机械性能，以确保其在实际应用中的长期稳定性。

基于此，江苏科技大学施伟龙副教授/郭峰副教授团队通过结合碳点（CDs）与海藻酸钠（SA）、聚乙烯醇（PVA）以及三聚氰胺海绵（MS）成功开发了3D-CDs/SA/PVA-MS复合水凝胶太阳能蒸发器。通过CDs与SA/PVA双交联网络的有效结合，不仅显著增强了蒸发器的机械性能和承载能力，还极大地提高了其光热转换能力。在1个光照强度下，3D-CDs/SA/PVA-MS蒸发器在3.5 wt% NaCl溶液中表现出高达4.79 kg m -2 h -1的蒸发率，并在高盐海水（25 wt%）中仍保持较高的蒸发率（4.13 kg m -2 h -1）。

相关成果以“Hydrogel-based 3D evaporator with cross-linked fixation by carbon dots for ultra-high and stable solar steam generation”为题发表在国际工程领域著名期刊《Chemical Engineering Journal》(JCR一区，中科院一区TOP，IF2024 = 13.3)上。

研究结论

本文开发了一种基于碳点（CDs）结合海藻酸钠/聚乙烯醇（SA/PVA）水凝胶的3D太阳能蒸发器。通过将CDs与SA/PVA双交联网络结合，不仅增强了蒸发器的机械性能和承载能力，还显著提高了其光热转化能力。实验证明，该蒸发器在3.5% NaCl溶液中1个光照强度下的蒸发速率高达4.79 kg m -2 h -1，在高盐度海水（25 wt%）中仍能保持4.13 kg m -2 h -1的蒸发速率。这项研究为进一步优化SA基水凝胶蒸发器的蒸发性能提供了一个简单而可靠的改进方法，展示了其在海水淡化和净化领域的广泛应用前景。

研究数据

图 1. (a) 3D-CDs/SA/PVA-MS水凝胶的制备工艺示意图。(b，c) 3D-MS、3D-SA/PVA-MS和3D-CDs/SA/PVA-MS水凝胶的模型图像、光学图像和SEM图像。

图 2. (a)光学图像显示超轻的属性。(b)蒸发器的结构适应性。(c)蒸发器的压缩和反弹过程图。(d)、(e) 和(f)蒸发器的应力-应变曲线。(h)，(g)蒸发器循环疲劳试验的应力-应变曲线和载荷-位移曲线。(i)蒸发器的最大应力和压缩模量。

图 3. (a)动态接触角图像。(b)所制备样品的侧面水运输照片。(c)不同浓度的氯化钠溶液中的盐沉淀照片。(d)表面抗盐沉积过程的光学图像。(e)干燥水和饱和水状态下的重量，以及相应的吸水率。(f)制备的样品的形状变形程度的照片。(g)制备的样品在不同pH值溶液中的膨胀率。(h)蒸发器在50次压缩松弛循环前后的照片。

图 4. 太阳能蒸发器的(a)有效蒸发面积和(b)环境能量收集的比较。(c)太阳能蒸汽性能评价装置图。(d)水重量随时间的变化。(e)所制备的样品的蒸发率和效率。(f)不同辐照角度下的蒸发速率。(g)不同盐浓度下蒸发器的蒸发率。(h)不同光强条件下蒸发器的蒸发率。(i)不同pH值下的蒸发器的蒸发率。(j)蒸发器的循环测试性能。(k)与其他已报道的太阳能蒸发器的比较。

图5. (a)紫外-vis-NIR吸收光谱。(b)光热试验实验装置图。(c)所制备样品在1次阳光照射下干燥状态下的温度变化曲线。(d)所制备样品的导热系数。(e))所制备样品的表面粗糙度。(f)样品的温度变化曲线。(g)样品的红外光学图像。(h)样品的温度分布模拟。

图 6. (a)海水淡化系统的原理图。(b)户外测试期间太阳能驱动蒸发器海水淡化系统的数码照片。(c)太阳能蒸发器在不同辐照时间内快速产生蒸汽的照片。(d)蒸发器上进行室外试验的实际蒸发率。(e)染料废水模拟太阳蒸发后收集的冷凝水中MB和RhB的吸光度的变化。(f)酸性和碱性溶液中获得的冷凝水的pH变化。(g)测量了实际海水样品中四种主要离子（Na+、K+、Ca2+和Mg2+）的浓度。

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.154793

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