ACS Nano: 二维纳米结构嵌入光热水凝胶的表面图案化用于高效太阳能蒸汽发生

雨辰

2021-06-11

探索先进的低能耗净水技术是缓解淡水短缺的关键。太阳能蒸汽发生(SSG) 已成为一种通过直接太阳能热转换进行高级水净化的潜在更环保、更具成本效益的技术，因为它能够高度提高太阳能热转换效率，并最大限度地减少热损失。在过去的几十年中，通过光热材料设计和表面/界面调节策略优化了水的运输，改善了太阳能热转换效率。除了太阳能热转换效率之外，SSG还受到另外两个基本挑战的制约，即蒸发焓和Marangoni效应。通过降低蒸发焓或引入 Marangoni 效应，可以通过减少水蒸发过程的能量需求和增加蒸发表面下的水流速率来提高蒸发速率。提高蒸发速率对于促进太阳能蒸汽发生在海水淡化生产净水中的应用极为重要。然而，普通二维 (2D) 光热蒸发器的理论蒸发速率极限仅为1.46 kg m^-2 h^-1左右。虽然 3D 蒸发器可以突破极限，但它们需要更多的原材料。

有鉴于此，南京林业大学杨小飞教授等人，报道了一种通过嵌入二维纳米结构的一体化混合水凝胶蒸发器和表面图案化的协同作用来实现高产量太阳能蒸汽发生的有效方法。

本文要点

1）基于之前关于使用表面改性聚乙烯醇 (PVA) 水凝胶的高性能太阳能蒸发的工作，构建了一种二维纳米结构嵌入的混合水凝胶，其设计的表面形貌通过同时互穿来实现高产 SSG，将几层 Ti₃C₂Tx MXene 和 rGO 纳米片连接到聚乙烯醇和壳聚糖 (CS) 的聚合物网络中。

2）这种改进的表面图案化蒸发器能够同时降低蒸发焓，并在蒸发表面附近诱发Marangoni效应。具有凹金字塔形表面图案的优化 Ti₃C₂Tx MXene/rGO 水凝胶显示出高达 3.62 kg m^-2 h^-1 的极高蒸发率，是普通二维光热蒸发器理论极限的两倍以上。

3）数值模拟表明，表面图案/结构激活了蒸发表面附近的Marangoni对流，加速了水流速度，并增强了太阳蒸发。

总之，这种混合水凝胶提供了一种经济高效且节能的途径，以缓解淡水短缺问题。

参考文献：

Yi Lu et al. Surface Patterning of Two-Dimensional Nanostructure-Embedded Photothermal Hydrogels for High-Yield Solar Steam Generation. ACS Nano, 2021.

DOI: 10.1021/acsnano.1c02578

https://doi.org/10.1021/acsnano.1c02578