成果简介
太阳能驱动的界面蒸发（SIE）在海水淡化领域大有可为。然而，在海洋环境中长期运行造成的盐分积累会严重影响 SIE 材料的蒸发率和效率。尽管此前已开发出各种结构的 SIE 材料，但在防止盐结晶的同时实现高效蒸发仍面临严峻挑战。本文，海军工程大学Shuang Zhao、Shuang Zhao《Chemical Engineering Journal》期刊发表名为“Hierarchical porous structure salt-resistance carbon-based aerogel for efficient solar-driven interfacial steam generation”的论文，研究提出采用简便的合成策略，设计并制备了一种独特的Janus分层多孔结构碳石墨烯复合气凝胶（CFGOA），用于高效抗盐的SIE海水淡化。
碳石墨烯复合气凝胶具有双区结构，其全碳框架内具有独立的表面润湿性，集成了顶部疏水性光吸收 rGO 层和底部亲水性多孔碳层。通过调节 CFGOA 的分层多孔结构，密度、抗盐性能和等效蒸发焓得到了优化。在太阳光照射下，CFGOA 在实际海水（∼3.64 wt%）中的蒸发率达到 3.42 kg-m-2-h-1，且无盐分结晶。此外，CFGOA 即使在高盐度水（高达 20.2 wt%）中也能实现无盐结晶蒸发。CFGOA 集高效光热转换、顺畅供水通道、有效隔热和抗盐效果于一身。这项工作有望为开发用于海水淡化的 SIE 材料提供一种令人着迷的策略。
图文导读
图1.CFGOA的制备工艺、反应原理及宏观形貌
图2.CFGOA的微观结构。
图3.CFGOA的物理性质
图4.CFGOA的蒸发性能
图6.样品在弱光条件下的蒸发性能和温度响应曲线。
图7.CFGOA的耐盐性和海水淡化性能
小结
总之，通过一种简便的方法制备了 Janus 结构的 CFGOA，用于高效抗盐的太阳能驱动界面蒸发海水淡化。rGO 沉积层和壳聚糖-糠醛衍生的定向多孔碳共同构建了 Janus 结构，有效抑制了盐晶体的积累。通过改变 rGO 的含量来调节 CFGOA 的密度和结构，从而实现自浮和 Janus 结构调整。基于 rGO 沉积的疏水层同时实现了高效的光热转换、顺畅的蒸汽逃逸通道和抗盐效果。亲水层侧壁上的定向孔隙和网状凹坑状孔隙结构共同形成了供水通道，促进了快速供水和盐分再溶解。CFGOA 的隔热性能可有效限制内部转化产生的热量，减少热量损失。通过实验和计算证明，CFGOA 中这种特殊的分层多孔结构可显著降低蒸发焓。在太阳光照射下，CFGOA 在实际海水（3.64 wt%）中的蒸发率高达 3.42 kg-m-2-h-1，且无盐分结晶。通过自制海水淡化装置收集的纯水符合世界卫生组织和美国环保署的饮用水标准。CFGOA 显示出作为 SIE 材料应用于海水淡化系统的巨大潜力。总之，这项研究有望为开发高效 SIE 海水淡化技术提供一种简单而有效的策略。
文献:https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.153694
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