AFM - 用于高效太阳能蒸汽产生的全木质纤维素生物质双层多孔水凝胶

研究背景

太阳能驱动的界面蒸发技术（ISSG）是解决淡水稀缺问题的重要途径。水凝胶是一种三维交联聚合物网络，具有较高的亲水性、快速的水运输能力、耐盐性以及从分子到宏观的结构和性能的多尺度可调性，被认为是一种很有潜力的太阳能驱动界面蒸发材料。然而，在以往的研究中，通常是以传统合成材料PVA作为水凝胶基底，很难降解再生；另外，大多数生物质水凝胶需要添入高成本的光热材料(如Mxene、rGO、CNT、Ppy等)来提高光热转化性能。

目前研究发现，木质素由于丰富的芳香族环结构、脂肪族和芳香族羟基和醌基团，具有很强的π-π堆积能力，可促进非辐射迁移和引发光热转换；同时，它的羟基官能团可以与水分子相互作用，调节水的状态，促进界面蒸发的中间水的形成，以及木质素的低热导率和三维网络结构都表明它是一种理想的碳基光热材料。威斯康星大学麦迪逊分校的Xuejun Pan教授以木质纤维素（纤维素-木质素复合）水凝胶（LCG）和木质素衍生碳（LC）作为基体和光热材料，构建了全木质纤维素基双层水凝胶（LC @LCG）蒸发器。

相关研究成果以题为“Fully Lignocellulosic Biomass-Based Double-Layered Porous Hydrogel for Efficient Solar Steam Generation”发表在国际顶刊《Advanced Functional Materials》（IF=19.924）上。

研究结果

本研究制备了分级多孔的木质纤维素基水凝胶，用于高性能和耐盐的太阳能蒸汽产生。木质素衍生碳具有超高比表面积和分级多孔结构，具有极高的太阳吸收性能(98%)。含木质素的水凝胶将水调节到中间状态，降低了水凝胶中的蒸发焓。同时，木质素的加入通过降低羟乙基纤维素中羟基的封端效应，显著提高了水凝胶的亲水性，并由于木质素诱导的刚度而保持毛细管通道，这两者都促进了水凝胶基质中的水传输。因此，强化太阳能吸收、热管理、水传输和水活化同步能提供了1.84 kg m−2 h−1的快速蒸发速率，约86.5%的太阳能蒸汽效率，优于之前报道的生物质蒸发器。木纤维素生物基水凝胶以其出色的太阳能驱动蒸发速率、耐盐性和海水淡化性能，突出了其在海水淡化和废水处理方面的巨大潜力。

研究数据

图1. a) LC的多孔结构 b)其较高放大倍数的SEM图像。LC的表征有:c)氮吸附-解吸曲线，d)孔径分布曲线，e)拉曼光谱，f) XRD图谱。

图2. a)用于ISSG的木质纤维素生物质双层多孔水凝胶LC@LCG的合成示意图。b) LC@CG和c) LC@LCG气凝胶的SEM图像。d) CG、LCG、LC@CG和LC@LCG气凝胶的水接触角测量。e)纯AL、HEC、LCG气凝胶的FT-IR光谱。f) CG、LCG、LC@CG和LC@LCG水凝胶的存储模量(G’)的动态力学分析。g) LC@ LCG水凝胶在最大应变为50%时的压力-应变曲线，循环10次。

图 3. a)一个太阳光辐射下LC@CG和LC@LCG水凝胶蒸发器表面和相应体积水域的温度。b)辐照时间分别为0、1、5、35 min时的温度分布红外图像。c) COMSOL模拟LC@CG和LC@LCG的温度分布。

图4. a)不同LC用量下LC@LCG的水蒸发速率。b)一个太阳光辐射下纯净水、CG、LCG、LC@CG、LC@LCG的质量变化。c)纯水、CG、LCG、LC@CG、LC@LCG的DSC曲线。d)与以前报道的碳基或生物质基材料在一个太阳光辐射下的水蒸发速率和能量效率的比较。

图5. a） 纯水、CG、LCG、LC@CG和LC@LCG在湿状态下的导热系数。b） CG、LCG、LC@CG和LC@LCG的紫外-可见-近红外光谱以及空气质量 1.5 全球 （AM 1.5 G） 倾斜太阳光谱的归一化光谱太阳辐照度密度。c) CG和d) LCG气凝胶中水O-H拉伸模式能量区高斯函数拟合曲线。

图6. LC@LCG水凝胶及其水分蒸发机理的实际应用示意图。

图7. a) LC@LCG在一个太阳辐射下在纯水中蒸发10个循环的稳定性。插图显示了水质量在第1和第10个循环中的变化。b) LC@LCG在较大盐度范围内的蒸发性能。c) LC@LCG在盐水(3.5 wt%盐度)中的长期稳定性评价和实物照片。d)室外海水淡化装置及其组成。e)脱盐前(原始)和脱盐后的标准海水样品中四种初级离子的测量浓度。f) LC@LCG对含有MB的污水样品的净化性能g) LC@LCG的室外水蒸发实验。h)室外实验9:00 - 17:00 LC@ LCG同步的太阳强度、环境温度、水分蒸发速率。

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202209262

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