海南大学杨玮婷Env. Sci.: Water Res.&Tech. | 木头气凝胶负载碳化钴基MOF用于太阳能驱动海水淡化

小龙pph46btb60 2023-03-20 发布于海南

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研究背景

淡水资源短缺已经成为阻碍现代社会可持续发展的主要问题之一，地球表面 96% 以上的面积被海水覆盖，海水资源储存量巨大，利用海水生产人类可用的淡水引起了研究人员的广泛关注。相比于反渗透、电渗析等方法，太阳能驱动的海水淡化技术因其生产低能耗和环保性被认为是解决淡水资源短缺问题的最有前途的可持续性技术之一。传统的利用太阳能生产清洁水的设备是直接加热大量的水，热量不能集中而导致了大量的热损失，生产效率低。为此，一种新兴的太阳能驱动的界面水蒸发技术近年来备受关注，这种技术将热量集中在气液界面上，可以有效减少热量损失，提高蒸发效率。然而，一些具有高效光热转换性能的材料如金纳米粒子面临成本较高的问题，另外，淡化过程中蒸发界面的盐沉积阻碍了部分蒸发器的长期稳定运行。因此，进一步开发耐盐、可实现高效光热转换的环保型太阳能驱动的界面蒸发装置具有重要意义。

海南大学杨玮婷教授团队通过将钴基 MOF（ZIF-L）进行碳化得到了钴纳米粒子-碳纳米片（Co-CN）材料，结合天然木材衍生的多孔气凝胶（WA），开发了一种木质气凝胶蒸发器（Co-CN-WA），用于连续、高效的太阳能驱动的界面海水蒸发。该蒸发器在 250-2500 nm 的光谱范围内具有优异的光吸收性能，在蒸发测试中表现出高蒸发速率和光热转换效率，同时借助多孔气凝胶的水传输和交换作用，该蒸发器解决了海水淡化过程中的盐分沉积问题，确保其长期稳定运行。相关工作以题为“Cobalt nanoparticle–carbon nanoplate as the solar absorber of a wood aerogel evaporator for continuously efficient desalination”的论文发表在英国皇家学会期刊 Environmental Science Water Research & Technology 上。

研究内容

研究者通过简单的水热方法处理天然木材，去除其中的木质素，得到纤维素气凝胶 WA，在常温条件下合成钴基 MOF（ZIF-L），并在 450℃ 的 Ar 氛围中将其碳化得到 Co-CN，随后，利用海藻酸钠将 Co-CN 负载到纤维素气凝胶表面制成了 Co-CN-WA 蒸发器。去除木质素后的纤维素气凝胶具有分层的多孔结构，这种结构使其能够方便快捷地输送海水（如图1）。Co-CN 具有碳原子热振动和钴纳米子的等离子体共振的双重吸光作用，在 250-2500 nm 的光谱范围内表现出 90% 以上的光吸收率。

▲	图 1. 天然木材、纤维素气凝胶、Co-CN-WA 的（a-c）照片及（d-f）SEM 图像。

为了测试 Co-CN-WA 的蒸发性能，研究者们在一个太阳光光照强度（1 kW m⁻²）下对空白海水、放置了 WA 及 Co-CN-WA 蒸发器的海水进行了蒸发测试。海水、WA 和 Co-CN-WA 在 15min 内顶面温度分别上升至 31℃、32.8℃ 和 41.5℃。蒸发一个小时后，Co-CN-WA 达到了 1.52 kg m⁻² h⁻¹ 的蒸发速率，约为海水（0.50 kg m⁻² h⁻¹）的 3 倍、WA（1.01 kg m⁻² h⁻¹）的 1.5 倍。通过减去黑暗条件下固有的蒸发来计算蒸发效率，得到海水和 WA 的蒸发效率分别为 28.6% 和 60.0%，而 Co-CN-WA 的蒸发效率计算为 92.4%，远高于前两者（如图 2）。这得益于 Co-CN 中碳纳米片和钴纳米颗粒的双重光热转换作用及 WA 粗糙度上表面，通过增强过吸收和减少光损失共同达到好的性能。

▲	图 2. 在一个太阳光光照强度下海水、WA和Co-CN-WA的表面温度变化（a）、红外热成像（b）、质量损失（c）、蒸发速率（d）和蒸发效率（e）。

Co-CN-WA 避免了蒸发过程中蒸发界面的盐分沉积问题，且具有自排盐的性能。在蒸发一个小时后，研究者们将 0.1 g NaCl 固体放置在 Co-CN-WA 表面，继续在一个太阳光光照强度下蒸发，记录了蒸发速率和蒸发器表面盐晶体的变化。在放置 NaCl 固体之前，Co-CN-WA 的蒸发速率逐渐增加到平衡状态，放置 NaCl 固体后，由于蒸发界面被盐颗粒覆盖，蒸发速率迅速下降到非常缓慢的状态。但随着时间的增加，NaCl 固体逐渐溶解，暴露出蒸发界面，蒸发速率增加。在蒸发两个小时后，蒸发界面的 NaCl 固体完全消失，蒸发速率恢复到最高值（如图 3）。在蒸发过程中，WA 的大孔通道持续将水泵送至蒸发界面，实现蒸发界面水分的快速补充，保持连续蒸发。此外，大孔通道壁上的微坑可以实现沿水平方向的水传输、扩散和对流，能够将蒸发界面附近狭窄通道中的高浓度盐水输送至大孔通道，增加了其与低浓度海水的盐交换能力，有效避免了盐晶体在蒸发界面上的沉积。

▲	图 3. Co-CN-WA的自排盐性能。

总结展望

研究者将碳化后的钴基 ZIF-L 负载于木质气凝胶表面，成功制备了一种耐盐的太阳能驱动的界面蒸发器，可以实现连续、稳定、高效的太阳能海水淡化。木质气凝胶具有丰富的多孔结构、低导热性及优异的亲水性，可以确保水分的高效输送；Co-CN 表现出优秀的光吸收性能和光热转换能力；海藻酸钠粘合剂用于增强 Co-CN 在气凝胶表面的附着力。Co-CN-WA 在一个太阳光光照强度下达到了 1.52 kg m m⁻² h⁻¹ 高蒸发速率和 92% 以上的高蒸发效率。由于气凝胶大孔通道和微坑的扩散和对流作用，有效防止了盐沉积，保证了蒸发过程的稳定性。这种源自天然木材和钴基金属有机框架的蒸发器有望在太阳能驱动清洁水生产、污水净化等领域发挥作用。

论文介绍

Cobalt nanoparticle–carbon nanoplate as the solar absorber of a wood aerogel evaporator for continuously efficient desalination
Yujuan Zhao, Dongyu You, Weiting Yang*(杨玮婷，海南大学), Han Yu*(于晗，南开大学), Qinhe Pan and Shuyan Song
Environ. Sci.: Water Res. Technol., 2022, 8, 151-161
http:///10.1039/D1EW00593F

作者简介

赵玉娟 硕士

海南大学材料与化工学院

本文第一作者，主要方向为复合光热材料在海水处理方面的研究。

杨玮婷 教授

海南大学

本文通讯作者，海南大学教授，2010 年博士年毕业于吉林大学无机化学专业，2012 年中国科学院长春应用化学研究所博士后出站，留该研究所任职助理研究员，2014 年聘为副研究员，2016 年去往日本京都大学从事博士后研究，2017 年被海南大学以“C 类”高层次人才引进，直接聘为教授。科研方面主要从事多孔材料化学与功能配位化学，已在 Chem, Coord. Chem. Rev., Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Commun., Chem. Mater. 等国际权威期刊杂志上发表 SCI 论文 100 余篇。主持在研及完成包括国家自然科学基金在内的各级科研项目 10 余项。

Environ. Sci.: Water Res. Technol.

2-年影响因子*	4.251分
5-年影响因子*	4.869分
最高 JCR 分区*	Q1 水资源
CiteScore 分^†	5.5分
上年发文篇数	271篇
中位一审周期^‡	41.0 天

Environmental Science: Water Research & Technology 报道水研究领域的重大进展，所发表的高质量论文范围囊括基础科学、技术创新和管理实践，其中既包括与水科学相关的物理、化学、生物等方面的基础研究，也有侧重于水处理工程和水资源管理与供给方面的应用研究。该刊特别关注与水资源的可持续性相关的主题，以及有助于实现更安全、更稳定和更可靠的水资源供给的研究。同时，该刊也欢迎相关领域内的跨学科和多学科研究工作。

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