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《ACS Nano》全聚(离子液体)膜衍生的多孔碳膜的规模化合成及其在海水淡化中的应用

随着人口快速增长以及农业与工业的不断发展,再加上人类的不合理利用,地球上可直接利用的淡水资源越来越匮乏,因此人们希望通过海水淡化、污水清洁处理来解决这一问题。利用可再生清洁能源——太阳能,通过光热转化进行太阳能驱动的水蒸发,是实现海水淡化的有效途径之一。然而,现有太阳能驱动水蒸发产生清洁水的速率十分有限。将该技术迈向实用的关键技术是研发低成本、高效、稳定的光热转化水蒸发材料。

氮掺杂碳材料由于其极强的光吸收能力、低成本、较大的比表面积、超强的抗氧化性能以及可调控的孔结构等特点,是一种理想的太阳能海水淡化材料。目前,将粉末碳材料与聚合物粘合剂混合包覆在疏水的基地上是制备界面光热转化碳基薄膜的成熟工艺。但是,这一工艺不但非常耗时,并且由于其缺乏理想的水传输的孔通道结构,造成海水蒸发速率比较低。因此,研发具有连续孔结构的疏水碳薄膜材料是解决这一问题的出发点。

鉴于此,南开大学化学学院王鸿研究员课题组在前期工作的基础上(Nat. Commun., 2017, 8, 13592; Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 7847; ACS Nano, 2017, 11, 4358; Angew. Chem. Int. Ed, 2018, 57, 12360),通过对聚离子液体的结构调控首先合成了一系列不同孔径的聚电解质多孔膜。

《ACS Nano》全聚(离子液体)膜衍生的多孔碳膜的规模化合成及其在海水淡化中的应用(图1)

图1. 不同孔径的聚电解质多孔膜

进一步地,通过真空碳化技术,制备了孔径可精确调控的大面积氮掺杂多孔碳基薄膜。

《ACS Nano》全聚(离子液体)膜衍生的多孔碳膜的规模化合成及其在海水淡化中的应用(图2)

图2. 一步真空碳化制备大面积杂原子掺杂多孔碳膜

由于多孔碳膜材料表面较强的疏水性,它可以直接漂浮于水和空气的界面进行太阳能驱动的界面海水淡化。其大孔、介孔、微孔组成的多级孔结构可以有效的作为水传输通道加速海水蒸发速率。在优化的条件下,可实现1.01 kg m-2 h-1 的水蒸发速率,相应的太阳能效应利用效率为74.69%。

《ACS Nano》全聚(离子液体)膜衍生的多孔碳膜的规模化合成及其在海水淡化中的应用(图3)

图3. 海水碳化装置及多孔碳膜的数码照片

此外,氮原子掺杂的碳膜材料有着非常高的抗化学腐蚀性和氧化性,展现出很大的应用的潜力。

《ACS Nano》全聚(离子液体)膜衍生的多孔碳膜的规模化合成及其在海水淡化中的应用(图4)

图4. 抗氧化性能测试

该研究成果发表在ACS Nano 上。

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