北京
來源：環(huán)球網(wǎng)
6月22日，據(jù)中國科學(xué)院過程工程研究所官方消息，過程工程所研究員楊乃亮和深圳大學(xué)教授王丹團(tuán)隊聯(lián)合提出一種“高分子穿插束縛納米顆粒”的三維集成策略，利用高分子鏈鎖扣中空多殼層結(jié)構(gòu)（HoMS），構(gòu)筑出3D光熱架構(gòu)，在實驗條件下實現(xiàn)了38.14 kg m-2 h-1的光熱界面蒸發(fā)速率，并集成光伏-光熱耦合系統(tǒng)，通過戶外試驗裝置實現(xiàn)了從海水淡化到農(nóng)業(yè)灌溉的初步探索。相關(guān)工作于6月21日發(fā)表在Advanced Materials上。
太陽能驅(qū)動界面蒸發(fā)憑借綠色低碳、安全高效的優(yōu)勢，成為極具前景的淡水生產(chǎn)技術(shù)，該技術(shù)的核心是高性能光熱材料。納米粉體材料因比表面積大、能帶結(jié)構(gòu)可調(diào)，展現(xiàn)出優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能。但在三維宏觀組裝中遇到兩大難題：一是結(jié)構(gòu)化組裝難題，顆粒易團(tuán)聚，導(dǎo)致效能衰減，且三維結(jié)構(gòu)強度低、成本高；二是長期穩(wěn)定性難題，光催化效應(yīng)會降解有機框架，加速材料老化，制約實際應(yīng)用。因此，開發(fā)兼具高光熱效率、高效水輸運與結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性的材料體系，是該技術(shù)突破的關(guān)鍵。
研究團(tuán)隊此前已開發(fā)出基于HoMS的二維蒸發(fā)膜材料，蒸發(fā)速率達(dá)4.02 kg m-2 h-1，當(dāng)年創(chuàng)下紀(jì)錄數(shù)值（Adv. Mater. 2022, 34, 2107400）。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊進(jìn)一步攻克了材料宏量制備與三維集成核心瓶頸，采用次序模板法，在過程工程所廊坊工程試驗基地進(jìn)行放大，通過20 L水熱釜與多溫區(qū)隧道爐精準(zhǔn)調(diào)控，實現(xiàn)了非晶五氧化二鉭/碳復(fù)合中空多殼層材料百克級穩(wěn)定量化制備。隨后，利用漢森溶度參數(shù)理論，將PET分子鏈穿入HoMS多孔殼層，形成牢固的鎖扣結(jié)構(gòu)，經(jīng)海水加速老化試驗，30天無顆粒脫落。Ta2O5/C HoMS在光照下無活性自由基產(chǎn)生，解決了有機基底降解問題。該復(fù)合結(jié)構(gòu)在微納尺度上呈現(xiàn)“納米森林”形貌，實驗數(shù)據(jù)顯示，通過多重光散射與吸收通道，全太陽光譜吸收率達(dá)90.2%。同時，納米限域效應(yīng)重構(gòu)水分子氫鍵網(wǎng)絡(luò)，使水體蒸發(fā)能耗降低45.7%，蒸發(fā)速率較前期的二維薄膜提升了8.5倍。
團(tuán)隊進(jìn)一步開發(fā)了蒸發(fā)-冷凝分離的模塊化光伏-光熱耦合系統(tǒng)，通過計算流體動力學(xué)模擬優(yōu)化四邊形排布陣列，建成0.75 m2戶外試驗裝置。在自然光照下，該裝置日產(chǎn)淡水20.16升，可滿足約10人的基本飲水需求，水質(zhì)符合世界衛(wèi)生組織（WHO）飲用水標(biāo)準(zhǔn)。裝置產(chǎn)水已成功用于5 m2農(nóng)田的全年灌溉，菠菜、玉米、白菜等多種作物已完成一個全生長周期。根據(jù)全生命周期成本分析，該套裝置運行2年后，產(chǎn)水成本將低于市售瓶裝水，如進(jìn)一步規(guī)模化或長期使用，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢將更加顯著。目前，研究團(tuán)隊正在優(yōu)化冷凝效率和系統(tǒng)成本，推動該技術(shù)在沿海缺水地區(qū)、海島及偏遠(yuǎn)地區(qū)的規(guī)模化應(yīng)用。
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