Углеродное волокно, покрытое нанолистом целлюлозы киноа с превосходным чешуйчатым слоем соли.

Jul 29, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 8777 (2022) Цитировать эту статью

1158 Доступов

4 цитаты

7 Альтметрика

Подробности о метриках

На сегодняшний день разработаны различные технологии испарения с использованием солнечной энергии для очистки морской и сточных вод, но с угрозой загрязнения солями и однократной очистки морской воды. Здесь мы разрабатываем многофункциональный испаритель, изготовленный из углеродного волокна, покрытого нанолистом целлюлозы киноа (CFQC), с выдающимися характеристиками самоочистки и хорошими свойствами очистки для очистки воды, загрязненной органическими веществами и антибиотиками. Полученный Zn-CFQC демонстрирует хорошие свето-тепловые характеристики и может поглощать около 86,95% света в диапазоне УФ-Вид-БИК (200–2500 нм); следовательно, температура влажной и сухой поверхности Zn-CFQC поддерживается на уровне 62,1 и 124,3 °C соответственно, а скорость испарения воды при освещении мощностью 1000 Вт м-2 составляет 3,2 кг м-2 ч-1. Такие хорошие светотепловые характеристики можно главным образом объяснить уникальной микроструктурой поверхности углеродного волокна, декорированной двумерной целлюлозой и активированной ZnCl2. Кроме того, Zn-CFQC демонстрирует хорошую способность к автоматической очистке от солей в ночное время, и соответствующий механизм был просто объяснен в соответствии с теорией химического потенциала. Способ обработки углеродного волокна открывает новый путь коммерческого использования углеродного волокна для очистки воды с помощью солнечной энергии.

Проблемы нехватки энергии и чистой воды, особенно в отдаленных районах, становятся все более серьезной проблемой и могут серьезно повлиять на экономическое и общественное развитие1,2. В настоящее время для решения этих проблем предложено множество технологий3,4,5, например, обратные системы6,7, многоступенчатая вспышка8,9, адсорбционная обработка10, сбор крошечного тумана2,11,12 и интерфейсное испарение с помощью солнечной энергии13,14, среди что испарение с помощью солнечной энергии рассматривается как многообещающая стратегия решения проблемы нехватки пресной воды путем очистки морской воды из-за ее экономичности, простоты эксплуатации, возобновляемых источников энергии, устойчивости и экологичности15,16. Самым большим преимуществом межфазного испарения является высокая эффективность использования солнечной энергии, что объясняется отличным управлением энергопотреблением за счет значительного подавления потерь тепла в объем воды за счет теплоизоляционной пены между объемом воды и рабочей поверхностью, а также хорошим управлением водными ресурсами, обеспечиваемым гидрофильными свойствами фото- термоконверсионные материалы13,17,18,19. В результате большое количество ученых занимается соответствующими полевыми исследованиями, и было успешно разработано множество видов фототермических конверсионных материалов20,21. Однако большинство материалов, о которых сообщается, имеют такие недостатки, как восприимчивость к солевому загрязнению, сложные процессы приготовления и сложность масштабирования, что серьезно препятствует прогрессу практического применения. Поэтому разработка и изготовление фототермического материала с легким масштабированием, солеустойчивостью, долгосрочной стабильностью и многофункциональным полевым использованием является актуальной и важной задачей для развития испарения с помощью солнечной энергии.

Существует множество материалов-кандидатов для испарения с помощью солнечной энергии, и многие из них имеют большие многообещающие перспективы для практического применения, например, плазмонные материалы22,23, полупроводники24,25, материалы на основе углерода26,27,28 и полимеры2,21,29,30. . Кроме того, в области производства солнечного пара были внедрены некоторые новые передовые технологии для повышения эффективности испарения воды31,32,33,34,35, такие как технология атомно-слоевого осаждения (ALD)31, технология изготовления материалов Janus30,32,33,36. , пьезоэлектрическая и солнечная паровая синергетическая технология35,37 и фотоэлектрическая и солнечная синергетическая технология производства пара23,38. Что касается материалов фототермического преобразования, углеродные материалы привлекают большой интерес благодаря своей превосходной химической стабильности, термической стабильности, широкополосному поглощению солнечного света, а также обширным источникам природного происхождения и промышленных товаров13,39,40,41. Углеродное волокно (CF) как коммерческий продукт с характеристиками «легкий и прочный» широко используется в современных композиционных материалах (аэрокосмическая, военная, спортивная, автомобильная и др.) благодаря своим превосходным свойствам, включая низкую плотность, выдающиеся механические свойства, коррозионная стойкость, сопротивление ползучести, химическая стабильность, хорошая теплопроводность и особенно хорошая адсорбция солнечного света42,43,44,45. Несмотря на столь многие достоинства CF, гидрофильность его поверхности слишком низка для того, чтобы его можно было напрямую использовать для испарения с помощью солнечной энергии из-за отсутствия полярных функциональных групп46. Было предпринято множество усилий для улучшения гидрофильной способности углеродного волокна к испарению водяного пара, включая обработку азотной кислотой47, плазменную обработку48, гидротермальный метод46, покрытие графеном49. Хотя эти технологии дают хорошие результаты, методы производства материалов слишком сложны и дороги, чтобы их можно было широко использовать. Поэтому важно использовать новый метод улучшения гидрофильности CF и использования солнечной очистки воды.