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        太陽能蒸發器被認為是解決水資源短缺問題的一種前瞻性方法。最近,中國礦業大學胡振琪教授、王虹教授團隊報告了一種基于氣凝膠的太陽能蒸發器,具有自推進和自修復行為,可實現有效的海水淡化和增強的重金屬去除。氣凝膠太陽能蒸發器由具有不對稱金沉積層的席夫堿水凝膠通過簡單的冷凍干燥方法制備。

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        水凝膠由殼聚糖和二醛淀粉組成,Au層產生熱梯度來驅動氣凝膠太陽能蒸發器的自推進。此外,席夫堿水凝膠中涉及的動態連接使氣凝膠太陽能蒸發器具有在外部損壞時的自愈能力。同時,使用席夫堿骨架作為氣凝膠蒸發器與水分子之間的相互作用位點,以降低水的蒸發焓。

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        此外,氣凝膠蒸發器被設計成小橢圓球體和多孔結構,這為氣凝膠蒸發器提供了優異的水蒸發行為,在 1 太陽光照射下,在天然海水中的蒸發率為 3.12 kg m-2 h-1。這種太陽能蒸發器的自推進能力和自愈性能提供了凈化效率提高、耐久性好、穩定性好(第10天保持88.2%以上)和高抗鹽性(200 g·kg-1保持80%)等優點。更值得注意的是,水中的重金屬離子在蒸發后已被有效去除至可飲用的水平。這些結果證明自走式氣凝膠太陽能蒸發器在現場海水淡化和凈化的實際應用中具有廣闊的前景。相關論文以題為Self-Propelled Aerogel Solar Evaporators for Efficient Solar Seawater Purification發表在《Langmuir》上。

        【主圖導讀】

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        圖 1. (a) 示意圖制造過程、(b) 結構示意圖、(c) FTIR 光譜、(d) SEM 圖像和 (e) 氣凝膠蒸發器的 EDS 映射。

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        圖 2. 近紅外光下氣凝膠蒸發器的運動軌跡,功率為 (a) 1.5 和 (b) 2 kW m-2,持續 6 秒。(c) 在 NIR 光下氣凝膠蒸發器的 MSD-Δt 圖。

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        圖 3. (a) 氣凝膠蒸發器自修復過程的 SEM 圖像。愈合后的氣凝膠微電機在近紅外光下的運動軌跡,功率為(b)1.5 和(c)2 kW m-2,持續 6 秒。(d)在近紅外光下原始和愈合的氣凝膠蒸發器的速度。

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        圖4. (a) 氣凝膠蒸發器的吸收光譜和 (b) 水接觸角。

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        圖 5. 氣凝膠蒸發器在 1 太陽光照射下的水分蒸發性能。(a)氣凝膠蒸發器上表面的溫度變化,水蒸發過程中氣凝膠底部和正下方的水。(b) 質量隨時間的變化。(c) 連續海水蒸發實驗。(d) 鹽度范圍為 0 至 300 g kg-1 時的耐鹽性能。

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        圖 6. (a) 太陽能脫鹽性能和 (b) 氣凝膠蒸發器的金屬離子吸附行為。

        【總結】

        團隊通過簡單的冷凍干燥方法制造了自走式氣凝膠蒸發器。由席夫堿水凝膠和沉積的金層組成的氣凝膠蒸發器被設計成具有高度多孔結構的橢圓形。在1個太陽光照下,自來水蒸發速率可達3.2 kg m–2 h–1,天然海水蒸發速率可達3.12 kg m–2 h–1。蒸發器的自推進,由 Au 層產生的熱梯度驅動,增加了一個特殊的運動維度來執行現場凈化任務,并提供了通過自攪拌提高效率的可能性。同時,動態席夫堿鍵和氫鍵賦予的自修復性能使氣凝膠蒸發器具有良好的耐久性和穩定性。此外,席夫堿與金屬離子螯合的能力減少了蒸發后水中的重金屬離子。其在海水淡化和重金屬去除方面的優異性能以及自愈和自推進特性為實用的現場太陽能水凈化提供了可能性。

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