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科研进展

2020年07月13日
中国科大研制一种可持续生物合成仿生多层级太阳能蒸汽发生器


目前,世界人口的五分之一生活在缺水地区。对于这些地区的人们来说,尤其是在缺少稳定电力的地区,获得干净的饮用水通常是一项艰巨的任务。因此,迫切需要一种高效,低成本,可持续和简单易得的技术和设备来产生清洁的饮用水。太阳能是地球上最丰富和广泛的资源之一。太阳能净水技术简单有效,可从不可饮用的水源(如湖水,污水或海水)中获得干净的饮用水。

近日,中国科学技术大学俞书宏院士团队开发了一种基于细菌纤维素纳米复合材料的高效且可持续的仿生多层级太阳能蒸汽发生器(HSSG)。该HSSG是通过一步气溶胶辅助生物合成过程制造的。经过设计的微生物合成过程成功地与纳米材料的气溶胶沉积技术相结合,并且直接高效地构建了复杂的仿生层级结构。该HSSG的分层结构包含三个具有不同功能的连续层,包括碳纳米管与细菌纤维素复合的光吸收层,玻璃微珠与细菌纤维素复合的隔热层以及用于支撑和输水的木质基材(图1)。在HSSG中,细菌纤维素水凝胶的三维纤维素纳米纤维网络显着降低了将液态水转化为蒸汽的能耗并加速水汽化。由于这种仿生结构设计和纳米网络降低了蒸发焓,HSSG可以实现2.9 kg m-2 h-1的高蒸发速率和80%的太阳能转化效率。论文在线发表在Nano Letters上(Nano Letters 2020, 10.1021/acs.nanolett.0c01088)。

1. 可持续生物合成多层级太阳能蒸汽发生器制备过程。(A) 通过气溶胶辅助生物合成技术在木材基材上构造玻璃微珠/细菌纤维素隔热层。HSSG核心部件示意图,玻璃微珠/细菌纤维素复合层可以阻止向下的热流并允许水快速向上传输。同时顶部的碳纳米管/细菌纤维素层可有效吸收光并产生蒸汽。(B)利用碳纳米管(CNTs)的气溶胶通过气溶胶辅助的生物合成过程在隔热层上构造光吸收层。(C) 多层级太阳能蒸汽发生器结构示意图。(D)木质基底结构图,木质基底具有可以有效输送水的筛管结构。(E)玻璃微珠嵌入纤维素纳米纤维的网络中,形成了具有出色水传输能力的高效隔热层。(F) CNTs与纤维素纳米纤维缠结,形成具有光吸收能力的水蒸发层。

2. 可持续生物合成多层级太阳能蒸汽发生器工作原理。(A) HSSG核心部件示意图,玻璃微珠/细菌纤维素复合层可以阻止向下的热流并允许水快速向上传输。同时顶部的碳纳米管/细菌纤维素层可有效吸收光并产生蒸汽。(B)效率与蒸发速率的关系图,包含了本文报道的HSSG和文献中的部分工作。 图表中的X轴表示器件的蒸发速率,图表中的Y轴表示器件的太阳能转化效率。

在该HSSG中,分层结构的纳米复合材料在木质基底上生长,并通过纳米纤维的BC网络与基底紧密结合。细菌纤维素纳米纤维与木材的纤维素交联,形成紧密的渗透层,该渗透层在基底和BC纳米复合材料层之间起着牢固的粘合剂的作用。这种结构确保了从基底到BC纳米复合材料层的快速水传输,并使它们牢固地附着在基底上。这为隔热和水传输提供了结构基础。玻璃微珠是微米级的空心玻璃球,其镶嵌分布在细菌纤维素的三维网络中,为隔热和水输送提供了结构基础。在该器件的顶部,碳纳米管和细菌纤维素纳米复合材料层具有复杂的交错结构,其中碳纳米管和纤维素纳米纤维形成了纳米尺度的双重网络。在这种双网络结构中,碳纳米管网络起着高效的光吸收剂的作用,而细菌纤维素纳米纤维网络则用于输送水和减少蒸发的能量消耗。基底、玻璃微珠/细菌纤维素层和碳纳米管/细菌纤维素层的这种多层结构设计方案旨在实现快速的水传输、热管理、有效的光吸收和减少的汽化能耗。

此外,为了更方便研究蒸发速率,能量转化效率和蒸发能量消耗之间的关系,该研究团队还提出了一种新颖的二维图表分析方法,其中的指导线显示了不同的蒸发焓。这种理论分析方法可用以分析太阳能蒸汽发生器器件中不同功能部件对蒸发速率的贡献。

与其他太阳能净水技术相比,这种HSSG蒸汽发生器在蒸发率、能量转化效率、可持续性和成本方面具有很大的优势,有望发展成为未来水净化中的新的技术途径。

该研究受到国家自然科学基金委创新研究群体、国家自然科学基金重点项目、中国科学院前沿科学重点研究项目、中国科学院纳米科学卓越创新中心、合肥综合性国家科学中心等资助。

论文链接:

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

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


(合肥微尺度物质科学国家研究中心、化学与材料科学学院、科研部)


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