中國(guó)科大在太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)海水淡化研究中取得重要進(jìn)展

中國(guó)科大在太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)海水淡化研究中取得重要進(jìn)展

中國(guó)科技大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系、科研部 / 時(shí)間：2024-11-07 11:07:25

中國(guó)科技大學(xué)新聞網(wǎng)11月5日訊：淡水資源是人類生存的命脈。然而，根據(jù)世界氣象組織發(fā)布的最新報(bào)告，全球有超過(guò)20億人無(wú)法獲得充足的淡水資源。傳統(tǒng)的海水淡化方法，如蒸餾、反滲透和電滲析，為解決這一問(wèn)題提供了可行的工業(yè)選擇。然而，這些方法仍然存在處理復(fù)雜、能耗高等缺點(diǎn)。隨著近年來(lái)全球?qū)μ贾泻偷某珜?dǎo)，以無(wú)處不在的免費(fèi)太陽(yáng)能為動(dòng)力的太陽(yáng)能脫鹽受到了廣泛關(guān)注。

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)劉波教授團(tuán)隊(duì)在太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)海水淡化研究中取得重要進(jìn)展。該研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種基于彈性聚合物共價(jià)有機(jī)框架（PP–PEG）的高效太陽(yáng)能蒸汽蒸發(fā)器。PP–PEG泡沫展現(xiàn)出全光譜吸收和出色的光熱轉(zhuǎn)換性能，通過(guò)優(yōu)化親水性、PEG鏈長(zhǎng)度和熱管理，在1個(gè)太陽(yáng)輻照下，實(shí)現(xiàn)了4.89 kg m?2h?1的蒸發(fā)速率。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步巧妙地使用易制得的截錐型反射器充分利用免費(fèi)太陽(yáng)能，蒸發(fā)速率顯著提高至18.88 kg m?2h?1，超過(guò)已知的太陽(yáng)能蒸汽蒸發(fā)器的性能。這項(xiàng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)具有制備簡(jiǎn)單、成本低、效率高、機(jī)械穩(wěn)定性和耐久性等優(yōu)點(diǎn)，為海水淡化和水凈化應(yīng)用提供了一個(gè)有前景的平臺(tái)。相關(guān)成果以“Highly efficient solar steam evaporation via elastic polymer covalent organic frameworks monolith”為題發(fā)表于《自然·通訊》雜志（Nat. Commun. 2024, 15, 9484.）。

具體而言，PP–PEG材料含有柔性的聚乙二醇連接劑，對(duì)客體呈現(xiàn)出有趣的自適應(yīng)性（圖a）。卟啉環(huán)作為光熱功能單元，柔性的聚乙二醇鏈防止了卟啉環(huán)的不利聚集和猝滅，使得PP–PEG具有全光譜吸光度和優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能?；诖?，PP–PEG以三維泡沫形式作為蒸發(fā)器應(yīng)用于太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的海水淡化。彈性還有助于防止泡沫在蒸發(fā)過(guò)程中發(fā)生崩塌，以維持循環(huán)蒸發(fā)的性能。為了減少向水體的熱量損失，蒸發(fā)器采用特殊的自包含模式，將太陽(yáng)能蒸發(fā)器與水體隔離開(kāi)（圖b），在維持連續(xù)供水的同時(shí)，不僅減少了熱傳導(dǎo)損失，還充分利用了三維泡沫的側(cè)表面，大幅增加了蒸發(fā)面積，促進(jìn)冷蒸汽的產(chǎn)生，提高了蒸汽的蒸發(fā)性能。通過(guò)優(yōu)化親水性和PEG鏈長(zhǎng)度，在1個(gè)太陽(yáng)輻照下，實(shí)現(xiàn)了4.89 kg m?2h?1的蒸發(fā)速率。

為充分利用免費(fèi)的太陽(yáng)能資源，該項(xiàng)研究設(shè)計(jì)了一個(gè)鋁制的截錐形型反射器，將光反射到三維泡沫的側(cè)表面（圖b）。當(dāng)三維泡沫與反射器耦合時(shí)，顯著提高了蒸發(fā)性能。在1個(gè)太陽(yáng)輻照下，蒸發(fā)速率達(dá)到18.88 kg m?2h?1，相比沒(méi)有反射器時(shí)的蒸發(fā)速率4.89 kg m?2h?1，增加了286.1%，是迄今為止文獻(xiàn)報(bào)道的最高的太陽(yáng)蒸發(fā)性能。這種充分利用自然資源的創(chuàng)新方法，將給太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)海水脫鹽淡化領(lǐng)域的研究人員帶來(lái)啟發(fā)。

圖. PP-PEG的制備及應(yīng)用于太陽(yáng)能蒸汽蒸發(fā)示意圖

綜上所述，該項(xiàng)研究開(kāi)發(fā)了基于彈性聚合物共價(jià)有機(jī)框架（PP–PEG）材料的高效太陽(yáng)能蒸汽蒸發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)制備簡(jiǎn)單、效率高、成本低、機(jī)械穩(wěn)定性和耐用性良好，有望成為**前景的海水淡化和水凈化平臺(tái)。

該項(xiàng)研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中央高校基本科研專項(xiàng)資金和安徽省自然科學(xué)基金的資助。劉波教授為該論文的通訊作者，博士研究生胡阿威為該論文的**作者。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53902-1