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华侨大学付明来、吉林建筑大学苑宝玲课题组:MoS2基水凝胶增强太阳能光热蒸发实现海水淡化

2022-09-20 09:09:20 来源:华侨大学付明来、吉林建筑大学苑宝玲课题组

成果简介

近日,华侨大学土木工程学院付明来研究员和吉林建筑大学苑宝玲教授课题组提出采用亲水性聚丙烯酰胺为骨架、低带隙的商业MoS2为太阳能吸收材料,通过发泡交联聚合的方法,成功制备了一种具有优异机械稳定性和耐盐性的海绵状硫化钼基多孔水凝胶(SMoS2-PH)。在一个太阳光下,其获得了3.297 kg m-2 h-1的高蒸发率以及93.4%的优异光热转换效率。相关研究成果以题为“Enhanced Solar Evaporation Using a Scalable MoS2-Based Hydrogel for Highly Efficient Solar Desalination”发表在Angewandte Chemie International Edition上。

引言

海水淡化作为淡水资源的替代与增量技术,愈来愈受到世界上许多国家的重视。界面光蒸汽转化(Solar steam generation)是近年来发展起来的新型光热转化技术,其借助微纳结构材料设计及光学、热学有效调控,充分吸收太阳能并将能量转化局域到气-液界面,从而使得光-蒸汽能量转化效率得到有效提高。目前,对界面光蒸汽转化技术的研究大都聚焦在如何提高其海水淡化产率。现有界面光蒸发材料运用于实际海水环境时,往往由于盐析出导致堵塞孔洞,严重影响其持续的蒸发效率。已有的研究通常会以牺牲其高效海水淡化产率为代价以实现器件在实际海水环境应用中抗结盐的稳定性和持久性。此外,现有的界面光蒸发材料还普遍存在着材料机械性能差、原材料不易获得、制备成本高以及材料对环境不友好等问题。

图文导读

SMoS2-PH的制备流程图

图1 SMoS2-PH的制备流程图

采用简单发泡交联聚合的方法成功构建了一种海绵状的SMoS2-PH,用于高效的光热海水淡化。首先是通过球磨得到颗粒尺寸更小且更均匀的商业MoS2球磨液,然后将丙烯酰胺和N, N-亚甲基双丙烯酰胺这两种交联体加入到球磨液,其次使用作为发泡剂的十二烷基硫酸钠进行孔化过程,最后在催化剂(四甲基乙二胺)和引发剂(过硫酸铵)的作用下得到具有弹性并且可以切割成任意形状的SMoS2-PH。经过冻干后,SMoS2-PH可以脱水形成一个表面没有任何皱纹的多孔气凝胶。

 SMoS2-PH不同分辨率的SEM图像

图2 SMoS2-PH不同分辨率的SEM图像

扫描电子显微镜(SEM)图像显示,商业MoS2呈纳米片形态。在SMoS2-PH内存在大孔(≈300μm)和小孔(≈50μm),以便于水输送到SMoS2-PH的表面,另一方面,入射光可以反射在丰富的孔隙内,进而提高了光吸收率。此外,大孔隙的存在可以提高储料容量,从而防止盐在SMoS2-PH表面的积累。

SMoS2-PH的一些性能表征

图3 SMoS2-PH的一些性能表征

首先,在拉曼光谱中的374和408cm-1分别出现了两个明显的特征峰,其中分别对应MoS2中Mo-S键平面内和平面外的拉曼峰。其次,我们观察到水滴可以在大约40ms内完全被SMoS2-PH所吸收,说明SMoS2-PH具有十分优异的亲水性。为了探究官能团对亲水性的影响,对光热材料进行傅里叶红外分析(FTIR),发现在3469.81-3417.73cm-1的宽频带和峰值1336.62cm-1具有明显的亲水性羟基振动。在最大应变为50%的条件下,测试了SMoS2-PH的机械性能,发现通过1000次的循环压缩后,其应力-应变曲线没有明显变化,凝胶的应力仅仅减少了6.6%。最后,对SMoS2-PH测试了在230-2500nm的光吸收值和光吸收率,发现SMoS2-PH在全光谱范围内具有81.90%的光吸收率。

对SMoS2-PH的光蒸发性能优化以及稳定性测试

图4 对SMoS2-PH的光蒸发性能优化以及稳定性测试

SMoS2-PH的光蒸发率无疑会随着光照强度的增加而得到提高,在两个太阳光下,其蒸发率可以达到4.47 kg m-2 h-1。较高的蒸发量可以归因于SMoS2-PH表面温度的提高,在照射30分钟后,当光照强度从0.5个太阳光增加到2个太阳光时,SMoS2-PH的表面稳定温度会从32.2℃增加到42.7℃。对SMoS2-PH进行厚度调控时发现,不同厚度下的水蒸发率均超过理论极限值(1.47 kg m-2 h-1),所以从能量流上探究了SMoS2-PH的热增益和热损失,通过理论计算其热增益可以达到10.47%,而热损失仅有6.34%,说明SMoS2-PH不仅具有较低的水蒸发焓还可以显著从外界环境中获取能量。在一个太阳光下,通过连续30次光蒸发实验研究了SMoS2-PH的稳定性,发现SMoS2-PH的水蒸发率和光热转换效率分别稳定在3.297 kg m-2 h-1和93.4%。

SMoS2-PH的实际应用效果

图5 SMoS2-PH的实际应用效果

与同领域其他MoS2基光热器件相比,SMoS2-PH具有丰富的多孔三维结构和理想的热转换能力,可以高效的进行光热转换。在处理高浓度盐水(25wt.%)时,在一个太阳光下,发现12小时后在SMoS2-PH的表面仅有少量的盐晶体析出。将0.5g氯化钠晶体放在SMoS2-PH表面上,在一个太阳光下,发现经过90分钟后,氯化钠晶体可以完全溶解消失。这两组实验很直观的证明了SMoS2-PH的耐盐性能。最后,使用SMoS2-PH对实际海水进行淡化处理,发现处理后的淡化水中盐离子浓度均低于世界卫生组织(WHO)限制,进而证实了SMoS2-PH在光热海水淡化领域具有极大的潜力。

SMoS2-PH发泡量对光热性能的影响

图6 SMoS2-PH发泡量对光热性能的影响

通过调控发泡剂的量,制备了含不同孔隙率的SMoS2-PH,以探究孔隙率对水蒸发效率的影响。利用BET和压汞法测试不同SMoS2-PH样品全孔孔隙率,研究表明,随着发泡剂量的增加,其孔隙率和水蒸发率随之增加。然而,当进一步增加发泡剂的量时,SMoS2-PH的骨架结构会变得十分柔软,导致无法准确测量孔隙率,同时水蒸发率也随之降低。研究表明:孔隙率为92.63%时的SMoS2-PH具有最大的水蒸发性能(3.297 kg m-2 h-1)。

小结

本研究开发的凝胶材料其光热性能是MoS2基光热材料在界面光蒸汽转换效率的突破。同时,研究还发现:在长期实验中,太阳能驱动的光热性能稳定,在SMoS2-PH表面没有盐堆积。因此,优异的耐盐性、高效光热转换性能、简洁的制备方法以及商业二硫化钼材料的易获性表明,SMoS2-PH凝胶材料有望成为一种可行的海水淡化装置。