Het tekort aan zoet water vormt een steeds ernstiger uitdaging voor de sociale ontwikkeling. Naar verluidt heeft 29% van de wereldbevolking geen veilig drinkwater en neemt de vraag naar schoon water nog steeds toe als gevolg van bevolkingsgroei en milieuproblemen. Schoon water in combinatie met sanitaire voorzieningen is met name belangrijk in de context van de huidige uitbraak van de coronavirusziekte (neocoronaviruspneumonie). Waterverdamping op zonne-energie wordt beschouwd als een van de meest veelbelovende technologieën voor de productie van schoon water uit zeewater en afvalwater, met zonlicht als enige energiebron. De technologie is sterk afhankelijk van zonneabsorbeerders, die als verdampers fungeren om zonne-energie om te zetten in warmte om stoom te produceren. Om een hoge waterverdampingssnelheid en een hoge efficiëntie van de omzetting van zonne-energie in warmte te bereiken, moet het ideale materiaal een breed absorptiebereik hebben om efficiënt een groot deel van het zonnespectrum te benutten, een lage thermische geleidbaarheid om warmteverlies te onderdrukken en driedimensionale (3D) poreuze kanalen voor efficiënt watertransport. Tot nu toe hebben wetenschappers verschillende fotothermische materialen ontwikkeld op basis van koolstof (bijvoorbeeld grafeen of koolstofnanobuizen), polymeren, metalen en metaaloxiden en hun hybriden, etc.
Wetenschappers hebben de afgelopen jaren hard gewerkt aan onderzoek en het boeken van vele doorbraken. Laten we daarom eens kijken naar verschillende actuele publicaties over de onderzoeksvoortgang op het gebied van fotothermische wateropwekking in de afgelopen jaren.
- Nature Communications: Plantenbladeren inspireren op zonne-energie werkende, zeer efficiënte waterzuiveraar
De bladeren van natuurlijke vaatplanten maken gebruik van verschillen in osmotische druk, transpiratie en uitscheiding om tonnen schoon water te produceren, aangedreven door zonlicht. Geïnspireerd hierdoor hebben onderzoekers van Chun Li's groep aan de Qinghua Universiteit een door zonlicht aangedreven waterzuiveraar ontwikkeld voor efficiënte waterzuivering en -productie. Deze door zonlicht aangedreven zuiveraar bestaat uit een temperatuurgevoelige poly(N-isopropylacrylamide) hydrogel (PN) verankerd op een superhydrofiele melamineschuimstructuur en aan de buitenkant gecoat met een PNIPAm-gemodificeerd grafeen (PG) filtermembraan. Moleculaire dynamica-simulaties en experimentele resultaten toonden aan dat het superhydrofiele karakter van de relatief stijve melaminestructuur de zwel-/krimpsnelheid van de PNPG-F-zuiveraar aanzienlijk versnelde. Onder dezelfde zonlichtintensiteit leverde deze rationeel ontworpen structuur een opbrengst van 4.2 kg/m²/u en een ionenverwijdering van > 99% voor één enkele PNPG-F uit een pekeloplossing, dankzij de synergetische effecten van verdamping en druppeltoevoeging. De auteur ziet grote potentiële toepassingen voor dit zeer efficiënte, op zonlicht gebaseerde systeem in diverse waterzuiveringsprocessen. De studie werd gepubliceerd als een artikel getiteld "Plant leaves inspired sunlight-driven purifier for high-efficiency clean water production" in het Nature subtijdschrift Nature Communications.
- Wetenschappelijke vooruitgang: zeer hydrateerbare polymeernetwerken van lichtabsorberende hydrogels voor de zuivering van water door middel van zonne-energie
Waterverdamping door middel van zonne-energie voor waterzuivering is een veelbelovende technologie voor de productie van zoet water. De productie van waterdamp door middel van zonne-energie is echter energie-intensief, wat resulteert in een lage waterproductie bij natuurlijk daglicht. Daarom is er een grote behoefte aan de ontwikkeling van nieuwe materialen die de energiebehoefte voor waterverdamping kunnen verminderen en de waterzuivering door middel van zonne-energie kunnen versnellen. De groep van professor Guihua Yu in Austin, Texas, VS, rapporteerde een sterk gehydrateerde lichtabsorberende hydrogel (h-LAH), bestaande uit polyvinylalcohol en chitosan als hydratatieruggengraat en polypyrrool als lichtabsorbeerder, die minder energie (< 50% van het watervolume) verbruikt om water te verdampen. Er werd aangetoond dat het verhogen van de hydratatiecapaciteit van h-LAH de toestand van water kan veranderen en water gedeeltelijk kan activeren, waardoor waterverdamping wordt vergemakkelijkt. h-LAH verhoogde de productie van waterdamp door zonne-energie tot een recordsnelheid van ~3.6 kg/m²/u in 2 zon. Waterverdamping op basis van h-LAH op basis van zonne-energie bleek ook duurzaam en antifouling tegen complexe ionische verontreinigingen op lange termijn. Het onderzoek werd gepubliceerd in een artikel getiteld "Plant leaves inspired sunshine-driven purifier for high-efficiency clean water production" in het Science-subtijdschrift Science Advances.
- Angew: COF-materialen met superhydrofiliteit en absorptie van licht met een brede golflengte voor fotothermische waterverdamping
De inherente hydrofobiciteit en beperkte lichtabsorptie van poreuze organische polymeren, met name in het nabij-infrarood (NIR) gebied, vormen twee knelpunten die hun toepassing in de opwekking van zonnestoom (SSG) belemmeren. Onderzoekers van de groep van Xiaoli Yan aan de Universiteit van Jilin hebben een covalent organisch raamwerk (COF) ontwikkeld op basis van 1,4,5,8-tetrakis(fenylamino)antraceen-9,10-dion (TPAD) (TPAD-COF), dat wordt gekenmerkt door superhydrofiliciteit en een brede lichtabsorptie die SSG vanuit het gehele UV/zichtbare NIR-gebied bestrijkt. TPAD-COF, als efficiënt fotothermisch conversiemateriaal zonder additieven, vertoont een uitstekende waterverdamping van 1.42 kg/m²/u en bereikt een hoge energieomzettingsefficiëntie van 2% onder één zonne-intensiteitsbestraling. Een verdere uitbreiding van het op TPAD gebaseerde COF-lichtabsorptiebereik werd bereikt door postsynthetische modificatie van gechelateerde BF94-moleculen. Systematische controle-experimenten en analyses bevestigen dat de hydrofiliteit van het fotothermische conversiemateriaal een dominantere rol speelt in de huidige TPAD-gebaseerde COF's die worden gebruikt voor fotothermische waterverdamping. Het onderzoekswerk, getiteld "Superhydrophilic2D Covalent Organic Frameworks as Broadband Absorbers for Efficient Solar Steam Generation", is gepubliceerd in het toonaangevende internationale tijdschrift Angewise. Het werk is gepubliceerd in het toonaangevende internationale tijdschrift Angew. Chem. Int. Ed.
- JACS: Hydrofiele-hydrofobe dual-regio COF/grafeen hydrogel voor fotothermische waterverdamping
Waterverdamping met behulp van zonne-energie is een duurzame waterzuiveringstechnologie die kan bijdragen aan het verlichten van wereldwijde waterschaarste. Deze technologie kent echter grote uitdagingen vanwege het hoge energieverbruik en de lage verdampingssnelheid van waterverdamping. De groep van prof. Arne Thomas van de Technische Universiteit van Berlijn, Duitsland, rapporteert een hydrogel met een covalente organische structuur (COF) en grafeen met een dubbele regio die zowel hydrofiele als hydrofobe regio's in één materiaal bevat via een eenvoudige in-situ groeistrategie. De hydrofiele COF bedekt een deel van de hydrofobe grafeenregio. Door nauwkeurige controle van de twee bevochtigingsregio's vertoont de hybride hydrogel effectieve lichtopvang, instelbare bevochtigbaarheid, geoptimaliseerd watergehalte en een verminderde energiebehoefte voor waterverdamping. Als zonne-absorberend materiaal bereikt de hydrogel met dubbele regio een dampgeneratiesnelheid tot 3.69 kg/m²/u voor 2 zonnestraling (1 kW/m²), wat vergelijkbaar is met andere geavanceerde materialen. Bovendien kan deze hydrogelverdamper worden gebruikt om drinkwater te produceren uit zeewater en rioolwater, wat de potentie van waterzuivering aantoont. Het onderzoekswerk werd gepubliceerd in het tijdschrift JACS als "A Covalent Organic Framework/Graphene Dual-Region Hydrogel for Enhanced Solar-Driven Water Generation", een toonaangevend internationaal tijdschrift.
- Wetenschappelijke vooruitgang: op waterleliebladstructuur geïnspireerde, zeer efficiënte fotothermische waterverdamper
De afgelopen jaren heeft de generatie van zonnedamp aan het grensvlak een groot potentieel getoond voor het bereiken van een hoge energieomzettingsefficiëntie voor ontzilting en afvalwaterzuivering. Hoge verdampingssnelheden kunnen echter niet worden gehandhaafd vanwege de schijnbaar onvermijdelijke ophoping van vervuiling of zout op de zonneabsorber. De afbraak versnelt naarmate de concentratie opgeloste stoffen toeneemt. Om dit probleem aan te pakken, ontwierp de groep van prof. Jia Zhu aan de Universiteit van Nanjing, geïnspireerd door de structuur van waterleliebladeren, een meertrapsstructuur (Waterlelie-geïnspireerde hiërarchische structuur (WHS)) fotothermische-dampconversie-apparaat, dat een fotothermische conversie-efficiëntie van 80% kan bereiken bij de behandeling van 10 wt% zeer geconcentreerd zout water en 30 wt% afvalwater. Het is vermeldenswaard dat de fotothermische conversie-efficiëntie niet significant afneemt tijdens de behandeling van zeer geconcentreerde pekel en afvalwater totdat de verdamping is voltooid (d.w.z. "nullozing"), en het oppervlak schoon blijft. Het werk werd gepubliceerd in Science Advance onder de titel "Een door waterlelies geïnspireerd hiërarchisch ontwerp voor stabiele en efficiënte zonne-verdamping van pekel met een hoog zoutgehalte".
- Nano-energie: Molybdeendisulfide voor fotothermische waterverdamping
Onderzoekers van de groep van Lifeng Wan aan het Institute for Frontier Materials van Deakin University hebben een reeks heterostructuren van overgangsmetaaldisulfiden en stikstofrijke nitriden ontwikkeld voor de verdamping van water met behulp van zonne-energie via gedeeltelijke kristaltransformatie. Deze geavanceerde 2D-heterostructuren vertonen met name een verbeterde spectrale absorptie in het infraroodgebied en een uitstekende chemische stabiliteit in verschillende oplossingen, waaronder water, zuren en basen. Belangrijker nog, dankzij de verbeterde spectrale absorptie-intensiteit en het verminderde warmteverlies vertoont het MoS2-Mo5N6/ melamineschuim (MF) zonnethermische apparaat een hoge verdampingssnelheid (2.31 kg m⁻² h⁻¹) en conversie-efficiëntie (106.6%), die respectievelijk 1.4 en 4.7 keer hoger zijn dan die van MoS2/MF en MF/water zonne-energieapparaten. Dit werk levert een reeks geavanceerde 2D-2D TMD-stikstofrijke nitride-heterostructuren met uitstekende fotothermische prestaties voor de opwekking van water met behulp van zonne-energie. Dit werk is gepubliceerd in Nano energy, een toonaangevend internationaal tijdschrift, onder de titel "Advanced 2D-2D heterostructures of transition metal dichalcogenides and nitrogen-rich nitrides for solar water generation".
Er wordt verwacht dat fotothermische waterverdampingstechnologie op basis van zonne-energie de wereldwijde schaarste aan schoon water oplost. Wat nu nog moet gebeuren, is de goedkope bereiding van fotothermische materialen, een zeer efficiënte werking en de stabiliteit en draagbaarheid van het gebruik in praktische toepassingsomgevingen. We kijken uit naar meer resultaten in de toekomst, waar de hele mensheid spoedig profijt van zal hebben!
Voor meer informatie over melamineschuim kunt u contact met ons opnemen via [email protected] of telefonisch via +86-28-8411-1861.
Sommige afbeeldingen en teksten zijn overgenomen van het internet en het copyright is van de oorspronkelijke auteur. Als er sprake is van inbreuk, neem dan contact met ons op om deze te verwijderen.