Angew. Chem. :MoS2基水凝胶增强太阳能光热蒸发实现海水淡化

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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沿海国家的重视。界面光蒸汽转化是近些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,严重影响其持续的水蒸发效率。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。


鉴于此,华侨大学付明来教授和苑宝玲教授团队,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。

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该工作中,通过SEM、XRD以及Raman等一系列表征手段验证了MoS2均匀负载在骨架结构上,SMoS2-PH具有良好的机械性能,在最大应变为50%的条件下,通过1000次的循环压缩,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%;SMoS2-PH在全光谱范围内具有81.90%的光吸收率。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,而且还可以显著从外界环境中获取能量。

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该工作还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)。

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该工作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应用上的技术突破。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,使得SMoS2-PH凝胶材料有望成为一种可行的海水淡化装置。

文信息

Enhanced Solar Evaporation Using a Scalable MoS2-Based Hydrogel for Highly Efficient Solar Desalination

Pan Liu, Yi-bo Hu, Xiao-Ying Li, Lei Xu, Chen Chen, Baoling Yuan*, Ming-Lai Fu*

文章的第一作者是华侨大学的硕士研究生刘攀。


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202208587


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