傳統的分離與純化技術是一個高能(néng)耗、高成(chéng)本的過(guò)程，在當前能(néng)源危機和環境壓力不斷增加的情況下，急需革新技術以突破能(néng)耗障礙。太陽能(néng)是一種(zhǒng)清潔、可再生能(néng)源，高效開(kāi)發(fā)和利用太陽能(néng)得到全世界的重視，也是我國(guó)可持續發(fā)展戰略的重要内容。太陽能(néng)光熱蒸發(fā)技術因其可持續、低/無能(néng)耗、零CO2排放等特點，近年來成(chéng)爲分離領域的研究熱點，在海水淡化、污水淨化等方面(miàn)展現出巨大應用潛力。其中光熱轉化材料是該技術的核心，主要包括等離激元材料、碳納米材料和半導體材料三類材料，然而制備複雜、成(chéng)本高、穩定性低等是當前限制光熱材料推廣和阻礙光熱技術發(fā)展的主要原因，因此研發(fā)高轉化效率、低成(chéng)本、高穩定性和普适性的光熱轉化材料顯得尤爲重要和迫切。
近日，中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所劉富研究員團隊在前期光熱材料多介質純化應用研究的基礎上（J. Mater. Chem. A 2019, 7, 586-593），發(fā)展了一種(zhǒng)低成(chéng)本的全生物質光熱蒸餾器，并實現了從多種(zhǒng)含水介質中提取純水（如圖1）。基于水稻稭稈生物質，通過(guò)限氧裂解方法得到多孔碳基光吸收材料，并與細菌纖維素複合制得高穩定性、高機械強度的光熱蒸發(fā)膜，太陽光吸收達89.4%。同時利用稭稈生物質的空腔結構作爲汲水通道(dào)和支撐體來構築界面(miàn)蒸發(fā)系統，水稻稭稈獨特的毛細内腔和壁面(miàn)多級微納結構賦予該原生通道(dào)優異的無障礙供水能(néng)力。由光熱蒸發(fā)膜和汲水通道(dào)組裝成(chéng)的全生物質光熱蒸餾器，用于模拟海水淡化裝置進(jìn)行連續室外運行，在晴天和多雲天氣下日産水量分别爲6.4～7.9kgm-2和4.6～5.6kgm-2，且直接達到飲用标準（鹽離子去除率保持在99.9%以上）。除了适用于海水淡化，該生物質光熱蒸餾器還(hái)可從灘塗、濕地、沼澤等含水介質中穩定提取純淨水，展現出良好(hǎo)的普适性。相關工作發(fā)表在ACS Appl. Mater. Interfaces. 2019, DOI: 10.1021/acsami.9b00291，該工作得到阿蔔杜拉國(guó)王科技大學(xué)Peng Wang教授的合作支持。
除了水溶液，研究團隊針對(duì)有機溶劑體系的分離與純化，進(jìn)一步研發(fā)了耐溶劑光熱材料，首次系統性研究了太陽能(néng)光熱蒸發(fā)技術在有機溶劑純化中的應用。普魯士藍（PB）是一類典型的Fe2+-C≡N-Fe3+面(miàn)心立方晶配位聚合物，具有優異的水溶液和有機溶劑穩定性，晶體内Fe2+和Fe3+可發(fā)生電荷轉移賦予PB特定的光熱效應，然而結晶度和晶體空位是影響PB光熱轉化效率的關鍵因素。課題組基于單一鐵源，通過(guò)慢速結晶的配位聚合，合成(chéng)低空位率、高結晶度的普魯士藍（PB）納米立方晶體（如圖2），并通過(guò)原位生長(cháng)將(jiāng)其負載在同樣(yàng)耐溶劑的棉纖維（CF）基體上，載量可控且結合穩定。制備的PB@CF複合纖維材料綜合了光熱轉化和溶劑自汲取功能(néng)，光吸收達到93.7%；成(chéng)功應用于水和一系列有機溶劑（介電常數2.38～37.78）的光熱純化，在保持99.9%去除率的前提下，蒸發(fā)通量從丙酮的29.2 Lm-2h-1到N-甲基吡咯烷酮的0.73Lm-2h-1不等（一個太陽下），與溶劑蒸發(fā)焓成(chéng)顯著負相關。對(duì)部分有機溶劑的純化效率與傳統壓力驅動的耐有機溶劑納濾膜相當。此外對(duì)高極性溶劑（DMAC）呈現出穩定的光熱蒸發(fā)性能(néng)，對(duì)DMAC溶劑純化運行3個月仍可保持穩定蒸發(fā)速率。該研究結果有望應用于化工和醫藥領域的溶劑體系分子篩分、溶劑回收、催化劑循環利用等，相關工作發(fā)表在J. Mater. Chem. A 2019, DOI: 10.1039/C9TA00798A。
以上工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委面(miàn)上項目（51603209），國(guó)家自然科學(xué)基金委與香港研究資助局聯合項目（5161101025、N-HKU706/16）以及甯波市科技局（2017C110034）等項目支持。
圖1 全生物質光熱蒸餾器設計與光熱蒸發(fā)性能(néng)
圖2 普魯士藍（PB）納米立方晶體合成(chéng)及其對(duì)系列有機溶劑體系的純化應用
