Дефіцит прісної води стає все більш серйозною проблемою для соціального розвитку. Повідомляється, що 29% населення планети не має безпечної питної води, а попит на чисту воду все ще зростає через зростання населення та екологічні проблеми. Чиста вода, пов’язана з санітарією, особливо важлива в контексті нинішнього спалаху коронавірусної хвороби (неокоронавірусної пневмонії). Випаровування води на сонячних батареях вважається однією з найперспективніших технологій виробництва чистої води з морської води та стічних вод, використовуючи сонячне світло як єдиний джерело енергії. Технологія значною мірою покладається на сонячні поглиначі, які діють як випарники, перетворюючи сонячну енергію на тепло для виробництва пари. Щоб досягти високої швидкості випаровування води та ефективності перетворення сонячного тепла, ідеальний матеріал повинен мати широкий діапазон поглинання для ефективного використання великої частини сонячного спектру, низьку теплопровідність для придушення втрати тепла та тривимірні (3D) пористі канали для ефективного транспортування води. До цього часу вчені розробили різні фототермічні матеріали на основі вуглецю (наприклад, графен або вуглецеві нанотрубки), полімерів, металів і оксидів металів та їх гібридів тощо.
Останніми роками вчені наполегливо працювали над дослідженнями та зробили багато проривів, тож давайте дізнаємося з кількох тематичних публікацій про прогрес у дослідженнях фототермального виробництва чистої води за останні роки.
- Комунікації з природою: листя рослин надихає на створення високоефективного водоочищувача на сонячних батареях
Листя природних судинних рослин залежить від різниці в осмотичному тиску, транспірації та виділенні, щоб виробляти тонни чистої води, що живиться сонячним світлом. Натхненні цим, дослідники з групи Чунь Лі в Університеті Цінхуа повідомили про очищувач, що працює на сонячному світлі, для ефективного очищення та виробництва води. Цей очищувач, що працює на сонячному світлі, має полі(N-ізопропілакриламідний) гідрогель (PN) з негативною температурою, закріплений на супергідрофільній меламіновій пінопластовій основі та покритий зовні фільтруючою мембраною з модифікованого PNIPAm графену (PG). Молекулярно-динамічне моделювання та експериментальні результати показали, що супергідрофільна природа відносно жорсткої меламінової основи значно прискорює швидкість набухання/зменшення набухання очищувача PNPG-F. При однаковій інтенсивності опромінення сонячним світлом ця раціонально спроектована структура забезпечувала збір 4.2 кг/м2/год та видалення > 99% іонів для однієї порції PNPG-F з розсолу завдяки синергетичним ефектам випаровування та крапельного додавання. Автор передбачає великий потенціал застосування цієї високоефективної системи, що працює на сонячному світлі, в різних сферах очищення води. Дослідження було опубліковано у статті під назвою «Листя рослин надихнуло очищувач на основі сонячного світла для високоефективного виробництва чистої води» у піджурналі Nature Communications.
- Наукові досягнення: полімерні мережі світлопоглинаючих гідрогелів з високою гідратацією для очищення води сонячними променями
Випаровування води на сонячних батареях для очищення води є перспективною технологією виробництва прісної води. Однак утворення сонячної пари є енергоємним, що призводить до низького виробництва води при денному освітленні. Тому існує велика потреба в розробці нових матеріалів, які можуть зменшити потребу в енергії для випаровування води та прискорити очищення води за допомогою сонця. Група професора Гуйхуа Ю в Остіні, штат Техас, США, повідомила про високогідратований світлопоглинаючий гідрогель (h-LAH), що складається з полівінілового спирту та хітозану як основної гідратації та поліпіролу як поглинача світла, який може використовувати менше енергії (< 50% об’єму води) для випаровування води. Було продемонстровано, що збільшення гідратаційної здатності h-LAH може змінити стан води та частково активувати воду, тим самим полегшуючи випаровування води. h-LAH збільшив виробництво сонячної пари до рекордної швидкості ~3.6 кг/м2/год за 1 сонце. Випаровування сонячної води на основі h-LAH також продемонструвало тривалу довговічність і властивості проти обростання проти складних іонних забруднень. Дослідження було опубліковано в статті під назвою «Очищувач сонячного світла, створений на основі листя рослин для високоефективного виробництва чистої води» в науковому піджурналі Science Advances».
- Angew: матеріали COF із супергідрофільністю та широким поглинанням світла для фототермального випаровування води
Властива гідрофобність і обмежене поглинання світла пористих органічних полімерів, особливо в ближній інфрачервоній (NIR) області, є двома вузькими місцями, які перешкоджають їх застосуванню в сонячній парогенерації (SSG). Дослідники в групі Сяолі Яня з Університету Цзілінь розробили ковалентний органічний каркас (COF) на основі 1,4,5,8 тетракіс(феніламіно)антрацен-9,10-діону (TPAD) (TPAD-COF), який характеризується супергідрофільністю та широким поглинанням світла, що охоплює SSG з усієї УФ/видимої області NIR. TPAD-COF, як ефективний фототермічний перетворювальний матеріал без будь-яких добавок, демонструє чудове випаровування води 1.42 кг/м2/год і досягає високої ефективності перетворення енергії 94% при одному сонячному опроміненні. Подальше розширення діапазону поглинання світла COF на основі TPAD було досягнуто шляхом постсинтетичної модифікації хелатних молекул BF2. Систематичні контрольні експерименти та аналіз підтверджують, що гідрофільність фототермічного перетворювального матеріалу відіграє більш домінуючу роль у поточних COF на основі TPAD, які використовуються для фототермального випаровування води. Дослідницька робота під назвою «Супергідрофільні двовимірні ковалентні органічні каркаси як широкосмугові поглиначі для ефективної генерації сонячної пари» була опублікована в провідному міжнародному журналі Angewise. Робота була опублікована в топовому міжнародному журналі Angew. Chem. Міжн. ред.
- JACS: гідрофільно-гідрофобний дворегіональний COF/графеновий гідрогель для фототермального випаровування води
Випаровування води на сонячних батареях — це стійка технологія очищення води, яка може допомогти зменшити глобальний дефіцит води. Однак ця технологія стикається з великими проблемами через високе споживання енергії та низьку швидкість випаровування води. Група професора Арне Томаса з Берлінського технічного університету, Німеччина, повідомляє про ковалентний органічний каркас (COF)/графеновий дворегіональний гідрогель, який містить як гідрофільні, так і гідрофобні області в одному матеріалі за допомогою простої стратегії росту in situ. Гідрофільний COF покриває частину гідрофобної області графену. Завдяки точному контролю двох областей змочування гібридний гідрогель демонструє ефективне збирання світла, регульовану змочуваність, оптимізований вміст води та знижені потреби в енергії для випаровування води. Як поглинач сонця, гідрогель з подвійною зоною досягає швидкості утворення пари до 3.69 кг/м2/год за 1 сонячне випромінювання (1 кВт/м2), що можна порівняти з іншими передовими матеріалами. Крім того, цей гідрогелевий випарник можна використовувати для виробництва питної води з морської води та стічних вод, демонструючи потенціал очищення води. Дослідницька робота була опублікована в журналі JACS під назвою «Ковалентний органічний каркас/гідрогель із подвійною областю графена для покращеного виробництва води, керованого сонячними променями», JACS, найкращий міжнародний журнал.
- Наукові досягнення: високоефективний фототермальний водяний випарник на основі конструкції лопатей водяної лілії
В останні роки міжфазне генерування сонячної пари продемонструвало великий потенціал у досягненні високої ефективності перетворення енергії для опріснення та очищення стічних вод. Однак високі показники випаровування неможливо підтримувати через, здавалося б, неминуче накопичення забруднення або солі на сонячному поглиначі. Деградація прискорюється зі збільшенням концентрації розчиненої речовини. Щоб вирішити цю проблему, група професора Цзя Чжу з Нанкінського університету, натхненна структурою листя водяної лілії, розробила багатоступеневу структуру (пристрій фототермічної конверсії з ієрархічною структурою (WHS) на основі водяної лілії, який може досягти 80% ефективності фототермічної конверсії при обробці 10 мас.% висококонцентрованої солоної води та 30 мас.% стічних вод. Це варто зазначається, що ефективність фототермічної конверсії не зменшується значно під час обробки висококонцентрованого розсолу та стічних вод до повного випаровування (тобто «нульового викиду»), а поверхня залишається чистою під назвою «Ієрархічний дизайн, натхненний лататтям для стабільного та ефективного сонячного випаровування розсолу високої солоності».
- Наноенергія: дисульфід молібдену для фототермального випаровування води
Дослідники з групи Ліфенг Ван в Інституті передових матеріалів Університету Дікіна розробили серію гетероструктур на основі дисульфідів перехідних металів та багатих на азот нітридів для сонячного випаровування води шляхом часткового кристалічного перетворення. Зокрема, ці вдосконалені 2D гетероструктури демонструють покращене спектральне поглинання в інфрачервоному діапазоні та чудову хімічну стабільність у різних розчинах, включаючи воду, кислоти та основи. Що ще важливіше, завдяки покращеній інтенсивності спектрального поглинання та зниженим втратам тепла, сонячний термічний пристрій MoS2-Mo5N6/ меламінова піна (MF) демонструє високу швидкість випаровування (2.31 кг м-2год-1) та ефективність перетворення (106.6%), які в 1.4 та 4.7 раза вищі, ніж у сонячних пристроїв MoS2/MF та MF/вода відповідно. Ця робота пропонує серію вдосконалених 2D-2D TMD-гетероструктур, багатих на азот, на основі нітридів з чудовими фототермічними характеристиками для генерації сонячної води. Ця робота була опублікована в Nano energy, провідному міжнародному журналі, під назвою «Advanced 2D-2D heterostructures of transition metal dichalcogenides and azot-rich nitrides for solar water generation».
Очікується, що технологія сонячного фототермального випаровування води вирішить проблему глобального дефіциту чистої води. Зараз потрібно вирішити недорогу підготовку фототермальних матеріалів, високоефективну роботу, а також стабільність і портативність використання в практичних середовищах, з нетерпінням чекаючи нових результатів у майбутньому на благо всього людства!
Щоб отримати додаткову інформацію про меламінову піну, зв’яжіться з нами за адресою [email protected] або зателефонуйте нам за номером +86-28-8411-1861.
Деякі зображення та тексти відтворено з Інтернету, і авторські права належать оригінальному автору. Якщо є порушення, зв’яжіться з нами, щоб видалити.