用于太阳能水净化的商业可行的碳纤维纳米材料

太阳能介导的蒸发技术在海水处理方面具有广阔的前景。然而，对海水和受污染的盐进行单一处理的能力有限，对这些技术构成了威胁。

研究：藜麦纤维素纳米片涂覆的碳纤维具有出色的鳞片盐自清洁性能，可净化有机和抗生素污染的水。图片来源：IVASHstudio/Shutterstock.com

在《科学报告》杂志上发表的一篇文章中，作者开发了一种基于碳纤维包覆的藜麦纤维素纳米片（CFQC）多功能蒸发器，具有良好的净化和自清洁性能，具有广阔的商业应用前景。

光热转换材料

清洁水和能源供应在边远地区变得具有挑战性，并对社会经济发展产生了负面影响。尽管开发了几种技术来解决这个问题，但太阳能驱动的蒸发是一种很有前途的策略，可以经济高效地处理海水，并且易于操作。在界面蒸发中利用太阳能有助于能量管理和防止由于散装水和水界面之间的热泡沫而导致的体质水热损失。

光热转化材料已受到科学家的研究兴趣，但大多数材料都存在制备工艺复杂、盐污染、放大工艺难度大等缺点，阻碍了其实际应用。因此，设计和构建具有耐盐性、长期稳定性、易于放大和应用多功能性的光热材料对于开发太阳能辅助蒸发至关重要。

碳材料由于其优异的化学稳定性，丰富的自然界和太阳能灯的吸收而受到相当大的关注，作为光热转换材料。此外，碳纤维（CF）具有优异的机械性能，抗蠕变性和良好的导热性，因此广泛用于复合材料中。

尽管CF具有优点，并且由于没有极性官能团而具有较差的亲水性，但它们不符合直接用于太阳能辅助蒸发的条件。然而，提高CF亲水性的各种努力包括等离子体处理，硝酸处理，石墨烯涂层和水热处理。

这些方法的材料制造复杂且昂贵，因此需要新的处理方法来提高CF亲水性和随后的太阳能辅助水净化。

多功能蒸发器的设计与制造

在本工作中，开发了一种使用CF和藜麦麸皮纤维素纳米片（QBC）的多功能蒸发器。CF和纤维素复合材料用各种活性剂进行化学处理，包括氢氧化钾、磷酸、氯化铜和氯化锌。这种处理改变了CF和纤维素复合材料的表面微观结构，并改善了它们的太阳能蒸发性能。

基于Zn-CFQC的蒸发器可以处理抗生素和有机污染的水以及蒸发的海水。Zn-CFQC对3.5%和7重量%的盐水表现出优异的盐自洁性能。

研究结果

透射电子显微镜（TEM）结果揭示了QBC的微观形态，显示出大的二维（2D）薄片和非晶结构。通过能量色散光谱（EDS）确定的元素映射表明，QBC纳米片由碳和氧元素组成。

电子显微镜揭示了基于CFQC的蒸发器的形貌，并显示出碳化藜麦纤维素纳米片包覆的CF和碳化的纤维素纳米片的共存，表明在800摄氏度下热解导致藜麦纤维素纳米片和CF通过共价键组合。

QBC涂层和热解处理导致基于CFQC的样品中具有不同和更粗糙的形态，并形成表面微沟。然而，原始CF在涂层和处理后表面形貌没有太大变化。

Zn-CFQC表面有小颗粒并且粗糙，而其他样品表面只有微小凹槽。这种类型的不平坦表面有利于光吸收和蒸发应用。

此外，X射线光电子能谱（XPS）光谱揭示了CFQC上的官能团。C1s光谱揭示了含氧官能团的存在，如羰基（C= O / C-O）基团，这有助于提高CF表面上极性基团引起的亲水能力。

而铜酸中的氧含量₂和氯化锌₂-处理后的样品从20重量%增加到28和42重量%。然而，CFQC，P-CFQC和K-CFQC的相同重量%保持在20%。这种变化表明，样品中选定的金属氯化物活化会增加其氧含量。

结论

总之，研究人员开发了一种由CF和QB纤维素组成的太阳能蒸发系统，具有稳定的太阳能蒸发性能。Zn-CFQC蒸发系统吸收紫外 -可见-近红外（UV-Vis-NIR）区域86.95%的光，使干湿蒸发器表面在一个太阳下达到62.1至124.3摄氏度的温度。

CF和纤维素复合材料独特的表面微观结构具有良好的光吸收和光-热转换能力。Zn-CFQC可以净化受污染水中的污染物。

Zn-CFQC由于其超亲水性而具有盐垢清洁能力。CF处理为太阳能驱动的淡水生产开辟了一条环保和高效方法的新途径。

参考

Yang, J., Suo, X., Zhao, J. et al. (2022). Carbon Fiber Coated by Quinoa Cellulose Nanosheet With Outstanding Scaled Salt Self-Cleaning Performance and Purification of Organic and Antibiotic Contaminated Water. Scientific Reports 12, 8777. https://www.nature.com/articles/s41598-022-12889-9