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科学家用非晶中空多壳层材料实现高效光热水净化
中国科学报 甘晓 / 时间:2021-11-18 22:33:37

中国科学报11月18日讯:淡水资源紧缺是人类面临的重大挑战,科学家期待寻求一种无需耗电、没有地域限制的材料,以实现仅依靠太阳能的高效水净化。界面光热蒸水被视为一种绿色的获得饮用水的新途径。

近期,中国科学院过程工程研究所研究员王丹团队在《先进材料》上发表论文,报道了一种具有中空多壳层结构(HoMSs)的非晶纳米复合物。将其作为界面光热蒸水材料,有效地提升了光热转换以及水输运效率,实现了高速、高稳定性、高环境耐受力的光热蒸水。

据了解,光热蒸水的核心是光热界面材料,而半导体材料具有稳定性高,选材范围广等优势,具有巨大的应用潜力。

王丹团队通过对HoMS光热蒸水的过程分析,利用该团队发展的次序模板法,首次制备了非晶五氧化二钽/碳复合HoMS材料,并从材料组成、结构的角度研究了其对光热蒸水行为的增强机制。

研究表明,非晶化设计和碳复合,有效提升了太阳能吸收,提升了光热转换效率和界面热传导;设计的HoMS纳微结构,强化了太阳能捕获,并通过毛细作用和内建热场,加速了水的输运。同时,HoMS的孔道结构,削弱了孔道内水分子之间的氢键,降低了水的实际蒸发焓,达到了高效蒸水的效果。

实验结果证实,在一个太阳光下,这种独特的结构和组成实现了高达4.02 kg/m2h的光热蒸发水速率,并可稳定运行30天以上,蒸水速率基本不变。

特别是,在用于海水、含重金属离子污水、含病毒水源以及强酸强碱溶液等不同苛刻条件下,该材料仍可保持高的蒸水速率和稳定性。经冷凝收集的清洁水,已达到我国和世界卫生组织的饮用水标准。

目前,该研究团队正在积极准备小型便携式净水设备及海水淡化样机,以满足相关场景下的应用需求。

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非晶Ta2O5/C-HoMSs高效光热蒸水示意图(研究团队供图)