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  傳統(tǒng)的分離與純化技術(shù)是一個高能耗、高成本的過程，在當(dāng)前能源危機和環(huán)境壓力不斷增加的情況下，急需革新技術(shù)以突破能耗障礙。太陽能是一種清潔、可再生能源，高效開發(fā)和利用太陽能得到全世界的重視，也是我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。太陽能光熱蒸發(fā)技術(shù)因其可持續(xù)、低/無能耗、零CO2排放等特點，近年來成為分離領(lǐng)域的研究熱點，在海水淡化、污水凈化等方面展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。其中光熱轉(zhuǎn)化材料是該技術(shù)的核心，主要包括等離激元材料、碳納米材料和半導(dǎo)體材料三類材料，然而制備復(fù)雜、成本高、穩(wěn)定性低等是當(dāng)前限制光熱材料推廣和阻礙光熱技術(shù)發(fā)展的主要原因，因此研發(fā)高轉(zhuǎn)化效率、低成本、高穩(wěn)定性和普適性的光熱轉(zhuǎn)化材料顯得尤為重要和迫切。

  近日，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所劉富研究員團隊在前期光熱材料多介質(zhì)純化應(yīng)用研究的基礎(chǔ)上（J. Mater. Chem. A 2019, 7, 586-593），發(fā)展了一種低成本的全生物質(zhì)光熱蒸餾器，并實現(xiàn)了從多種含水介質(zhì)中提取純水（如圖1）。基于水稻秸稈生物質(zhì)，通過限氧裂解方法得到多孔碳基光吸收材料，并與細菌纖維素復(fù)合制得高穩(wěn)定性、高機械強度的光熱蒸發(fā)膜，太陽光吸收達89.4%。同時利用秸稈生物質(zhì)的空腔結(jié)構(gòu)作為汲水通道和支撐體來構(gòu)筑界面蒸發(fā)系統(tǒng)，水稻秸稈獨特的毛細內(nèi)腔和壁面多級微納結(jié)構(gòu)賦予該原生通道優(yōu)異的無障礙供水能力。由光熱蒸發(fā)膜和汲水通道組裝成的全生物質(zhì)光熱蒸餾器，用于模擬海水淡化裝置進行連續(xù)室外運行，在晴天和多云天氣下日產(chǎn)水量分別為6.4～7.9kgm^-2和4.6～5.6kgm^-2，且直接達到飲用標(biāo)準(zhǔn)（鹽離子去除率保持在99.9%以上）。除了適用于海水淡化，該生物質(zhì)光熱蒸餾器還可從灘涂、濕地、沼澤等含水介質(zhì)中穩(wěn)定提取純凈水，展現(xiàn)出良好的普適性。相關(guān)工作發(fā)表在ACS Appl. Mater. Interfaces. 2019, DOI: 10.1021/acsami.9b00291，該工作得到阿卜杜拉國王科技大學(xué)Peng Wang教授的合作支持。

圖1 全生物質(zhì)光熱蒸餾器設(shè)計與光熱蒸發(fā)性能

  除了水溶液，研究團隊針對有機溶劑體系的分離與純化，進一步研發(fā)了耐溶劑光熱材料，首次系統(tǒng)性研究了太陽能光熱蒸發(fā)技術(shù)在有機溶劑純化中的應(yīng)用。普魯士藍（PB）是一類典型的Fe²⁺-C≡N-Fe³⁺面心立方晶配位聚合物，具有優(yōu)異的水溶液和有機溶劑穩(wěn)定性，晶體內(nèi)Fe²⁺和Fe³⁺可發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移賦予PB特定的光熱效應(yīng)，然而結(jié)晶度和晶體空位是影響PB光熱轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵因素。課題組基于單一鐵源，通過慢速結(jié)晶的配位聚合，合成低空位率、高結(jié)晶度的普魯士藍（PB）納米立方晶體（如圖2），并通過原位生長將其負載在同樣耐溶劑的棉纖維（CF）基體上，載量可控且結(jié)合穩(wěn)定。制備的PB@CF復(fù)合纖維材料綜合了光熱轉(zhuǎn)化和溶劑自汲取功能，光吸收達到93.7%；成功應(yīng)用于水和一系列有機溶劑（介電常數(shù)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)焓成顯著負相關(guān)。對部分有機溶劑的純化效率與傳統(tǒng)壓力驅(qū)動的耐有機溶劑納濾膜相當(dāng)。此外對高極性溶劑（DMAC）呈現(xiàn)出穩(wěn)定的光熱蒸發(fā)性能，對DMAC溶劑純化運行3個月仍可保持穩(wěn)定蒸發(fā)速率。該研究結(jié)果有望應(yīng)用于化工和醫(yī)藥領(lǐng)域的溶劑體系分子篩分、溶劑回收、催化劑循環(huán)利用等，相關(guān)工作發(fā)表在J. Mater. Chem. A 2019, DOI: 10.1039/C9TA00798A。

圖2 針對系列有機溶劑純化的高可靠普魯士藍（PB）光熱轉(zhuǎn)化器件設(shè)計

  以上工作得到國家自然科學(xué)基金委面上項目（51603209），國家自然科學(xué)基金委與香港研究資助局聯(lián)合項目（5161101025、N-HKU706/16）以及寧波市科技局（2017C110034）等項目支持。

  論文鏈接：

  https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsami.9b00291

  https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2019/TA/C9TA00798A#!divAbstract