南京林业大学杨小飞《ACS Nano》烯/PVA/壳聚糖水凝胶表面图案化, 用于高产太阳能蒸汽

【科研摘要】

提高蒸发率对于促进太阳能蒸汽发电在海水淡化生产净水中的应用极为重要。然而，普通 2D)光热蒸发器的理论蒸发速率限制仅为 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。

最近，南京林业大学杨小飞教授团队报告了一种通过嵌入二维纳米结构的一体式混合水凝胶蒸发器和表面图案化的协同作用来实现高产太阳能蒸汽生成的有效方法。这种改进的表面图案蒸发器能够同时降低蒸发焓并在蒸发表面附近引起 Marangoni 效应，从而提供 3.62 kg m^-2 h^-1 的高蒸发率，这是理论极限的两倍多普通二维光热蒸发器。

这种混合水凝胶提供了一种经济高效且节能的途径来缓解清洁水短缺。相关论文以题为Surface Patterning of Two-Dimensional Nanostructure-Embedded Photothermal Hydrogels for High-Yield Solar Steam Generation发表在《ACS Nano》上。

【主图导读】

图 1. SSG 技术示意图，由密闭空间中的定制水态与 Ti₃C₂T_x MXene/rGO 嵌入的混合水凝胶的凹金字塔形表面形貌的协同作用引起。

图 2. 水凝胶的形态和吸水性能。

图 3. (a) 平坦湿 MRH 的 UV-Vis-NIR 吸收光谱。(b) MRH-3 在 1.0 太阳光照射下的红外热图像的顶视图和侧视图。(c, d) 扁平 MRH 的重量损失和相应的能量效率。(e) 水、MRH-0、MRH-3、MXene 和 rGO 水凝胶的等效水汽化焓。（ f ）MRH-3的O-H拉伸模式能量区域的拟合曲线。

图 4. (a) 用于太阳能蒸发的表面纹理 MRH 示意图（黄色图像是 MRH-3S2 的光学显微镜图像）。(b) 纹理化 MRH 的 UV-Vis-NIR 吸收光谱。(c) MRH-3S3 在太阳辐射（1.0 太阳光）下的红外图像。(d, e) MRH-3、MRH-3S1、MRH-3S2和MRH-3S3水凝胶在1.0阳光照射下的水分质量损失和相应的蒸发率和能量效率。(f) MRH-3S2 在太阳辐射（1.0 太阳光）下 SSG 性能的循环稳定性。

图5. (a) MRH-3S2温度等高线分布数值模拟、箭头指示的传导热通量、太阳蒸发面温度、MRH-3S2在1小时内随时间变化的模拟温度结果。(b) 凹槽结构中水流速度提升的机制。(c–f) MRH-3、MRH-3S1、MRH-3S2 和 MRH-3S3 中水流的稳态模拟速度大小。

【总结】

通过具有纳米限制和水活化的协同效应的 Ti₃C₂T_x MXene/rGO 水凝胶（MRH）实现了高效的太阳能蒸汽产生。Ti₃C₂T_x MXene/rGO纳米片、PVA（聚乙烯醇）/CS聚合物骨架和水分子之间的相互作用会影响水分子之间的氢键强度，从而显着降低水汽化焓。这导致了 3.38 kg m^-2 h^-1 的高蒸发率。此外，将表面结构引入 MRH 水凝胶不仅增强了太阳能吸收率，而且诱导了温度和张力梯度以激活 Marangoni 对流。数值模拟表明，当表面结构的规模/大小最佳时，马兰戈尼效应有效地加速了蒸发表面附近的水流速，并积极促进了太阳蒸发。因此，MRH-3S2 的蒸发率进一步增加到 3.62 kg m^-2 h^-1，在一次阳光照射下能量转换效率为 91%。凭借在废水净化和海水淡化方面的优异性能和稳定性，这种基于 MRH 的太阳能蒸发器有望为太阳能蒸汽发电的实际应用提供理想的解决方案，以在相同的太阳能输入下获得更大的清洁水输出。这种成分和表面形貌设计概念对于其他相关应用也很重要，例如环境水管理或表面冷却。

参考文献：

doi.org/10.1021/acsnano.1c02578

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