【科研摘要】

提高蒸發(fā)率對(duì)于促進(jìn)太陽(yáng)能蒸汽發(fā)電在海水淡化生產(chǎn)凈水中的應(yīng)用極為重要。然而，普通 2D)光熱蒸發(fā)器的理論蒸發(fā)速率限制僅為 1.46 kg m^-2 h^-1 左右。雖然 3D 蒸發(fā)器可以突破極限，但它們需要更多的原材料。

最近，南京林業(yè)大學(xué)楊小飛教授團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種通過(guò)嵌入二維納米結(jié)構(gòu)的一體式混合水凝膠蒸發(fā)器和表面圖案化的協(xié)同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)太陽(yáng)能蒸汽生成的有效方法。這種改進(jìn)的表面圖案蒸發(fā)器能夠同時(shí)降低蒸發(fā)焓并在蒸發(fā)表面附近引起 Marangoni 效應(yīng)，從而提供 3.62 kg m^-2 h^-1 的高蒸發(fā)率，這是理論極限的兩倍多普通二維光熱蒸發(fā)器。

這種混合水凝膠提供了一種經(jīng)濟(jì)高效且節(jié)能的途徑來(lái)緩解清潔水短缺。相關(guān)論文以題為Surface Patterning of Two-Dimensional Nanostructure-Embedded Photothermal Hydrogels for High-Yield Solar Steam Generation發(fā)表在《ACS Nano》上。

【主圖導(dǎo)讀】

圖 1. SSG 技術(shù)示意圖，由密閉空間中的定制水態(tài)與 Ti₃C₂T_x MXene/rGO 嵌入的混合水凝膠的凹金字塔形表面形貌的協(xié)同作用引起。

圖 2. 水凝膠的形態(tài)和吸水性能。

圖 3. (a) 平坦?jié)?MRH 的 UV-Vis-NIR 吸收光譜。(b) MRH-3 在 1.0 太陽(yáng)光照射下的紅外熱圖像的頂視圖和側(cè)視圖。(c, d) 扁平 MRH 的重量損失和相應(yīng)的能量效率。(e) 水、MRH-0、MRH-3、MXene 和 rGO 水凝膠的等效水汽化焓。（ f ）MRH-3的O-H拉伸模式能量區(qū)域的擬合曲線。

圖 4. (a) 用于太陽(yáng)能蒸發(fā)的表面紋理 MRH 示意圖（黃色圖像是 MRH-3S2 的光學(xué)顯微鏡圖像）。(b) 紋理化 MRH 的 UV-Vis-NIR 吸收光譜。(c) MRH-3S3 在太陽(yáng)輻射（1.0 太陽(yáng)光）下的紅外圖像。(d, e) MRH-3、MRH-3S1、MRH-3S2和MRH-3S3水凝膠在1.0陽(yáng)光照射下的水分質(zhì)量損失和相應(yīng)的蒸發(fā)率和能量效率。(f) MRH-3S2 在太陽(yáng)輻射（1.0 太陽(yáng)光）下 SSG 性能的循環(huán)穩(wěn)定性。

圖5. (a) MRH-3S2溫度等高線分布數(shù)值模擬、箭頭指示的傳導(dǎo)熱通量、太陽(yáng)蒸發(fā)面溫度、MRH-3S2在1小時(shí)內(nèi)隨時(shí)間變化的模擬溫度結(jié)果。(b) 凹槽結(jié)構(gòu)中水流速度提升的機(jī)制。(c–f) MRH-3、MRH-3S1、MRH-3S2 和 MRH-3S3 中水流的穩(wěn)態(tài)模擬速度大小。

【總結(jié)】

通過(guò)具有納米限制和水活化的協(xié)同效應(yīng)的 Ti₃C₂T_x MXene/rGO 水凝膠（MRH）實(shí)現(xiàn)了高效的太陽(yáng)能蒸汽產(chǎn)生。Ti₃C₂T_x MXene/rGO納米片、PVA（聚乙烯醇）/CS聚合物骨架和水分子之間的相互作用會(huì)影響水分子之間的氫鍵強(qiáng)度，從而顯著降低水汽化焓。這導(dǎo)致了 3.38 kg m^-2 h^-1 的高蒸發(fā)率。此外，將表面結(jié)構(gòu)引入 MRH 水凝膠不僅增強(qiáng)了太陽(yáng)能吸收率，而且誘導(dǎo)了溫度和張力梯度以激活 Marangoni 對(duì)流。數(shù)值模擬表明，當(dāng)表面結(jié)構(gòu)的規(guī)模/大小最佳時(shí)，馬蘭戈尼效應(yīng)有效地加速了蒸發(fā)表面附近的水流速，并積極促進(jìn)了太陽(yáng)蒸發(fā)。因此，MRH-3S2 的蒸發(fā)率進(jìn)一步增加到 3.62 kg m^-2 h^-1，在一次陽(yáng)光照射下能量轉(zhuǎn)換效率為 91%。憑借在廢水凈化和海水淡化方面的優(yōu)異性能和穩(wěn)定性，這種基于 MRH 的太陽(yáng)能蒸發(fā)器有望為太陽(yáng)能蒸汽發(fā)電的實(shí)際應(yīng)用提供理想的解決方案，以在相同的太陽(yáng)能輸入下獲得更大的清潔水輸出。這種成分和表面形貌設(shè)計(jì)概念對(duì)于其他相關(guān)應(yīng)用也很重要，例如環(huán)境水管理或表面冷卻。

參考文獻(xiàn)：

doi.org/10.1021/acsnano.1c02578

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