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蘇黎世聯(lián)邦理工學院王京教授和瑞士材料科學聯(lián)邦實驗室趙善宇博士團隊 AS：植物仿生制備太陽能被動氣凝膠熱蒸騰泵用于可揮發(fā)有機物降解

2022-02-28 來源：高分子科技

圖1. MnO₂-PMSQ氣凝膠對甲苯降解性能。A) 甲苯濃度隨輻照時間的變化。B) VOC 降解效率對比。C) 太陽能驅(qū)動的熱蒸騰及光熱催化 VOC 降解示意圖（左圖）， MnO₂-PMSQ 和 PMSQ 氣凝膠界面的 SEM-EDX 圖像（右上圖），及 MnO₂ 納米顆粒的光熱轉(zhuǎn)化示意圖（右下圖）。

受水生植物中太陽能光驅(qū)動氧氣傳輸?shù)膯l(fā)，蘇黎世聯(lián)邦理工學院(ETHZ)王京教授和瑞士材料科學聯(lián)邦實驗室(Empa)趙善宇博士團隊通過仿生水生植物的熱蒸騰效應開發(fā)了一種新型可持續(xù)光驅(qū)動氣凝膠泵，其表面層含有黑色氧化錳 (MnO₂) 作為光吸收劑（圖1）。泵送空氣的流動強度由納米纖維素 (NFC)、尿素改性殼聚糖 (UMCh) 和聚甲基倍半硅氧烷 (PMSQ) 氣凝膠的孔隙特性控制（圖2）。由 MnO₂ 驅(qū)動的光熱轉(zhuǎn)化誘導了揮發(fā)性有機污染物的被動流動和催化降解。與基準的 Knudsen 泵系統(tǒng)相比，所有氣凝膠都表現(xiàn)出卓越的泵送能力（圖3）。無機 PMSQ 氣凝膠在輸入功率和光熱降解活性方面提供了更大的靈活性（圖4）。因此，這種氣凝膠光驅(qū)動的多功能氣泵系統(tǒng)為氣體傳感設備、空氣質(zhì)量測繪和空氣質(zhì)量控制系統(tǒng)提供了廣泛的未來應用。

圖 2 A) 聚甲基倍半硅氧烷 (PMSQ)-MnO₂ 雙層氣凝膠的照片。 B) MnO₂ 納米薄片的SEM 和 C) HRTEM 圖像以及嵌入 PMSQ 中的 MnO₂ 的 SEAD 衍射圖。嵌入 D) 納米纖維素 (NFC)，E) 尿素改性殼聚糖 (UMCh) 和 F) PMSQ 中的 MnO₂ 納米薄片的 TEM。基于 X 射線斷層掃描的 3D 體積渲染低密度氣凝膠基質(zhì)（紅色），及MnO₂ 納米薄片（灰色）對應于G）NFC，H）UMCh和 I）PMSQ 氣凝膠基體。

圖 3 孔徑和結構對泵送性能的影響。A) 納米纖維素(NFC)、B) 脲基改性殼聚糖 (UMCh) 和 C) 聚甲基倍半硅氧烷 (PMSQ) 納米微粒氣凝膠結構的熱蒸騰作用。D) Kn 等值線圖下孔徑和溫度在 1 bar 氣壓對應的函數(shù)。E) 在 20 cm (97 mW?cm²) 和 5 cm (222 mW?cm², 僅 PMSQ適用) 照射后，泵送性能與質(zhì)量和體積流量的關系。F) 流速與功率輸入的關系以及與現(xiàn)有技術的比較。

圖4 雙功能氣凝膠膜的污染物降解。A) 多孔氣凝膠的吸附能力和 B) 甲苯的降解效率及穩(wěn)態(tài)溫度。C) 含有MnO₂ 的 NFC、UMCh 和 PMSQ 樣品的 X 射線衍射 (XRD) 圖。D) 原始氣凝膠材料的熱重分析（TG 和 DTG）。E) 吸收層 (50 wt.% MnO2) 的 XPS 光譜：MnO2 和嵌入氣凝膠中的 MnO₂ 的 Mn2_p3/2電子能量疊加，以及半峰全寬列表。 F) PMSQ、UMCh 和 NFC 氣凝膠的紅外光譜。

該工作是團隊近期關于多孔氣凝膠材料熱蒸騰效應相關研究的最新進展之一。1909 年，Knudsen 首次使用長玻璃管毛細管探索了熱蒸騰過程。而在多孔材料中產(chǎn)生有效熱蒸騰的一般要求是 (i) 保持的溫度梯度不會因穿過多孔材料的強熱傳輸而顯著損害，(ii) 通過開孔的有效氣體傳導，和 (iii) ) 氣體分子的平均自由程與孔弦長度的適當比率（克努森數(shù) Kn范圍為 1-10）（圖3）。氣凝膠是制造熱蒸騰泵（KP）的理想材料候選者，因為它們具有低密度、高孔隙率和超低熱導率。對于此類材料，形成熱梯度傳統(tǒng)上通過電阻加熱器進行額外功率輸入。而在自然界中，水生植物的熱蒸騰是由太陽能被動誘導的，太陽能是最環(huán)保的可持續(xù)電力輸入之一。通過模仿這種自然系統(tǒng)，團隊提出了由各種氣凝膠材料組成的 KP 裝置，這些材料在孔結構、可達到的孔徑和操作溫度方面具有互補的特性。使用光（例如太陽能）作為唯一的能量輸入，可持續(xù)的被動質(zhì)量流由氣凝膠的不同結構控制。因此，在空氣通過雙層氣凝膠膜傳輸?shù)倪^程中，有機污染物的去除通過吸附到氣凝膠多孔結構和 MnO₂表面活性位點上，然后進行光熱催化來促進降解（圖4）。在過去的幾年中，團隊開發(fā)探索了氣凝膠基熱蒸騰泵原型（ACS AMI, 2015, 7 (33), 18803-18814），并采用3D打印技術實現(xiàn)了超薄雙層氣凝膠泵的組裝（Nature, 2020, 584 (7821), 387-392），為推進太陽能被動氣凝膠多功能泵送系統(tǒng)進行研究探索，為實現(xiàn)清潔能源和碳中和提供新的途徑。

該工作以''''Biomimetic Light-Driven Aerogel Passive Pump for Volatile Organic Pollutant Removal''''為題發(fā)表在《Advanced Science》上。該文章通訊作者為ETHZ王京教授和Empa高級研究員趙善宇博士，Wim J. Malfait博士。ETHZ Sarka Drdova博士和Empa趙善宇博士為共同第一作者。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202105819

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（責任編輯：xu）

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