科研進展
蘭州化物所海水淡化光熱界面蒸發(fā)研究取得新進展
水資源短缺引發(fā)人類越來越多的關注，急需尋找經(jīng)濟和可持續(xù)的方法凈化海水。太陽能驅動的界面水蒸發(fā)利用太陽能界面集熱的方式實現(xiàn)海水淡化，是最有希望獲得高質量淡水的方法之一。為實現(xiàn)高效的蒸發(fā)速率和光熱轉化效率，大量研究工作側重于太陽能蒸發(fā)器的結構設計和材料的選擇上，尤其是對寬光譜吸收率光熱轉換材料的選擇。過去的十幾年，大部分光熱轉化材料都是圍繞等離激元材料、碳材料和半導體材料進行。過渡金屬氮化物成本低，可作為一種可替代Au、Ag等離激元材料的金屬導電陶瓷材料。開展超高溫陶瓷作為等離激元材料的光驅動界面水蒸發(fā)應用具有重要意義。
中國科學院蘭州化學物理研究所清潔能源化學與材料研究室低碳能源材料組高祥虎副研究員、劉剛研究員團隊，致力于超高溫陶瓷碳化物和硼化物在界面蒸發(fā)領域的應用研究。
研究人員制備出ZrC光熱轉化薄膜并將其組裝于2D水通道蒸發(fā)結構中，制作了具有95%太陽光吸收能力的界面蒸發(fā)裝置（圖1）。蒸發(fā)實驗表明，該裝置的水蒸發(fā)率可達1.43 kg·m-2·h-1，光熱轉化效率為98%，這一結果高于之前報道的Au、Ag和過渡金屬氮化物的蒸發(fā)性能，證明了超高溫陶瓷碳化物具有優(yōu)良的等離激元應用前景（Chemical Engineering Journal , 2022, 429, 132014）。
圖1. ZrC組裝的2D界面蒸發(fā)結構及其性能
基于上述實驗結果，研究人員又選用ZrB2作為吸光材料，將其與3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）混合刷涂于硅酸鋁陶瓷纖維板表面，制備出具有優(yōu)異光吸收能力（α=95%）的耐鹽污界面蒸發(fā)裝置（圖2），該裝置的水蒸發(fā)率高達2.07 kg·m-2·h-1。研究過程中發(fā)現(xiàn)硅酸鋁陶瓷纖維板內(nèi)部的微觀結構可與水結合生成過渡水，水狀態(tài)的改變極大地降低了水蒸發(fā)所需的能量，從而獲得了超出理論極限值的蒸發(fā)效率。此外，孔陣列排布可改善裝置的耐鹽污能力，使其能夠長期、高效、穩(wěn)定應用于海水蒸發(fā)（Chemical Engineering Journal, 2022, 431, 134333）。
圖2. ZrB2組裝的界面蒸發(fā)結構及其耐鹽污能力
上述工作開發(fā)出了兼具優(yōu)良光吸收性能和海水淡化能力的界面蒸發(fā)裝置，拓展了高效光熱界面蒸發(fā)材料的選擇。艾森博士為上述論文第一作者，高祥虎副研究員和蘭州交通大學陳永志教授為通訊作者。
該工作得到了中科院青年創(chuàng)新促進會、中科院科技服務網(wǎng)絡計劃區(qū)域重點項目和甘肅省科技重大專項的支持。
