【儀表網 研發快訊】淡水資源是人類生存的命脈。然而，根據世界氣象組織發布的最新報告，全球有超過20億人無法獲得充足的淡水資源。傳統的海水淡化方法，如蒸餾、反滲透和電滲析，為解決這一問題提供了可行的工業選擇。然而，這些方法仍然存在處理復雜、能耗高等缺點。隨著近年來全球對碳中和的倡導，以無處不在的免費太陽能為動力的太陽能脫鹽受到了廣泛關注。
近日，中國科學技術大學劉波教授團隊在太陽能驅動海水淡化研究中取得重要進展。該研究團隊開發了一種基于彈性聚合物共價有機框架(PP–PEG)的高效太陽能蒸汽蒸發器。PP–PEG泡沫展現出全光譜吸收和出色的光熱轉換性能，通過優化親水性、PEG鏈長度和熱管理，在1個太陽輻照下，實現了4.89 kg m−2h−1的蒸發速率。團隊進一步巧妙地使用易制得的截錐型反射器充分利用免費太陽能，蒸發速率顯著提高至18.88 kg m−2h−1，超過已知的太陽能蒸汽蒸發器的性能。這項創新設計具有制備簡單、成本低、效率高、機械穩定性和耐久性等優點，為海水淡化和水凈化應用提供了一個有前景的平臺。相關成果以“Highly efficient solar steam evaporation via elastic polymer covalent organic frameworks monolith”為題發表于《自然·通訊》雜志(Nat. Commun. 2024, 15, 9484.)。
具體而言，PP–PEG材料含有柔性的聚乙二醇連接劑，對客體呈現出有趣的自適應性(圖a)。卟啉環作為光熱功能單元，柔性的聚乙二醇鏈防止了卟啉環的不利聚集和猝滅，使得PP–PEG具有全光譜吸光度和優異的光熱轉換性能。基于此，PP–PEG以三維泡沫形式作為蒸發器應用于太陽能驅動的海水淡化。彈性還有助于防止泡沫在蒸發過程中發生崩塌，以維持循環蒸發的性能。為了減少向水體的熱量損失，蒸發器采用特殊的自包含模式，將太陽能蒸發器與水體隔離開(圖b)，在維持連續供水的同時，不僅減少了熱傳導損失，還充分利用了三維泡沫的側表面，大幅增加了蒸發面積，促進冷蒸汽的產生，提高了蒸汽的蒸發性能。通過優化親水性和PEG鏈長度，在1個太陽輻照下，實現了4.89 kg m−2h−1的蒸發速率。
為充分利用免費的太陽能資源，該項研究設計了一個鋁制的截錐形型反射器，將光反射到三維泡沫的側表面(圖b)。當三維泡沫與反射器耦合時，顯著提高了蒸發性能。在1個太陽輻照下，蒸發速率達到18.88 kg m−2h−1，相比沒有反射器時的蒸發速率4.89 kg m−2h−1，增加了286.1%，是迄今為止文獻報道的最高的太陽蒸發性能。這種充分利用自然資源的創新方法，將給太陽能驅動海水脫鹽淡化領域的研究人員帶來啟發。
圖. PP-PEG的制備及應用于太陽能蒸汽蒸發示意圖
綜上所述，該項研究開發了基于彈性聚合物共價有機框架(PP–PEG)材料的高效太陽能蒸汽蒸發系統。該系統制備簡單、效率高、成本低、機械穩定性和耐用性良好，有望成為極具前景的海水淡化和水凈化平臺。
該項研究受到國家自然科學基金面上項目、中央高校基本科研專項資金和安徽省自然科學基金的資助。劉波教授為該論文的通訊作者，博士研究生胡阿威為該論文的第一作者。
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