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      科學家用非晶中空多殼層材料實現高效光熱水凈化
      中國科學報 甘曉 / 時間:2021-11-18 22:33:37

      中國科學報11月18日訊:淡水資源緊缺是人類面臨的重大挑戰,科學家期待尋求一種無需耗電、沒有地域限制的材料,以實現僅依靠太陽能的高效水凈化。界面光熱蒸水被視為一種綠色的獲得飲用水的新途徑。

      近期,中國科學院過程工程研究所研究員王丹團隊在《先進材料》上發表論文,報道了一種具有中空多殼層結構(HoMSs)的非晶納米復合物。將其作為界面光熱蒸水材料,有效地提升了光熱轉換以及水輸運效率,實現了高速、高穩定性、高環境耐受力的光熱蒸水。

      據了解,光熱蒸水的核心是光熱界面材料,而半導體材料具有穩定性高,選材范圍廣等優勢,具有巨大的應用潛力。

      王丹團隊通過對HoMS光熱蒸水的過程分析,利用該團隊發展的次序模板法,首次制備了非晶五氧化二鉭/碳復合HoMS材料,并從材料組成、結構的角度研究了其對光熱蒸水行為的增強機制。

      研究表明,非晶化設計和碳復合,有效提升了太陽能吸收,提升了光熱轉換效率和界面熱傳導;設計的HoMS納微結構,強化了太陽能捕獲,并通過毛細作用和內建熱場,加速了水的輸運。同時,HoMS的孔道結構,削弱了孔道內水分子之間的氫鍵,降低了水的實際蒸發焓,達到了高效蒸水的效果。

      實驗結果證實,在一個太陽光下,這種獨特的結構和組成實現了高達4.02 kg/m2h的光熱蒸發水速率,并可穩定運行30天以上,蒸水速率基本不變。

      特別是,在用于海水、含重金屬離子污水、含病毒水源以及強酸強堿溶液等不同苛刻條件下,該材料仍可保持高的蒸水速率和穩定性。經冷凝收集的清潔水,已達到我國和世界衛生組織的飲用水標準。

      目前,該研究團隊正在積極準備小型便攜式凈水設備及海水淡化樣機,以滿足相關場景下的應用需求。

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      非晶Ta2O5/C-HoMSs高效光熱蒸水示意圖(研究團隊供圖)


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