本文介紹了(le)一種由還原的(de)氧化石墨(mo)烯(RGO)納(na)米(mi)片和稻草(cao)衍生(sheng)(sheng)的(de)纖維素纖維和藻酸鈉(na)(SA)制備的(de)3D光熱氣凝(ning)膠,可用于產(chan)生(sheng)(sheng)太陽蒸汽。
使用稻草(cao)纖(xian)(xian)維作為支持(chi)物可將對(dui)較(jiao)昂貴的RGO的需求(qiu)減(jian)少(shao)43.5%,將稻草(cao)的生物質廢棄(qi)物轉化為增值(zhi)材料(liao)。稻草(cao)纖(xian)(xian)維和RGO的整(zheng)合顯著增強了(le)獲得的光熱RGO-SA-纖(xian)(xian)維素氣凝膠的柔韌性(xing)和機(ji)械(xie)穩(wen)定(ding)性(xing)。
光熱氣凝膠顯示96-97%的強寬帶光吸收。在產生太陽能蒸汽期間,3D光熱氣凝膠有效地減少了輻射和對流能量損失,同時增強了從環境中收集能量的能力,從而導致2.25kgm–2h–1的極(ji)高蒸發速率,對應于1.0太陽輻(fu)射下(xia)的能量轉換效率為88.9%。實際海(hai)(hai)水蒸發過程中收(shou)集的凈水鹽度僅為0.37ppm。該材(cai)料環保且(qie)具有成本效益,在現實世界(jie)的海(hai)(hai)水淡化(hua)應用中顯示出巨大潛力。
圖1(a)稻草生(sheng)物質(zhi)被用作(zuo)原(yuan)料來制備3D多孔光熱氣(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)(jiao)(jiao)。(b)經過(guo)水(shui)熱處理的(de)(de)(de)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)素(su)(su)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)懸(xuan)浮(fu)液,(c)冷(leng)凍干燥后(hou)的(de)(de)(de)最(zui)終純纖(xian)(xian)維(wei)(wei)素(su)(su)氣(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)(jiao)(jiao)。(d)RGO納米片(pian)的(de)(de)(de)透射電(dian)子顯微鏡(TEM)圖像(xiang)。(e)Ca2+交聯后(hou)得到(dao)的(de)(de)(de)RGO-SA-纖(xian)(xian)維(wei)(wei)素(su)(su)氣(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)(jiao)(jiao)的(de)(de)(de)照片(pian)(f)和(he)不同高(gao)度的(de)(de)(de)RGO-SA-纖(xian)(xian)維(wei)(wei)素(su)(su)氣(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)(jiao)(jiao)的(de)(de)(de)照片(pian)。(g-i)RGO-SA-纖(xian)(xian)維(wei)(wei)素(su)(su)氣(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)(jiao)(jiao)在三個不同放(fang)大倍數的(de)(de)(de)SEM圖像(xiang),以及(ji)RGO-SA-纖(xian)(xian)維(wei)(wei)素(su)(su)氣(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)(jiao)(jiao)的(de)(de)(de)元素(su)(su)圖(j)。純纖(xian)(xian)維(wei)(wei)素(su)(su)氣(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)(jiao)(jiao)(l)和(he)RGO–SA–纖(xian)(xian)維(wei)(wei)素(su)(su)氣(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)(jiao)(jiao)(m)的(de)(de)(de)XPS調(diao)查掃描(k)和(he)高(gao)分(fen)辨率C1s光譜(pu)。
圖2.支(zhi)持(chi)RGO-SA-纖(xian)(xian)維(wei)(wei)素氣(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)的(de)花朵的(de)數(shu)(shu)碼照(zhao)(zhao)片(pian)(a)和(he)去(qu)除氣(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)樣品后的(de)同(tong)一朵花朵的(de)數(shu)(shu)碼照(zhao)(zhao)片(pian)(b)。將RGO-SA-纖(xian)(xian)維(wei)(wei)素氣(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)浸(jin)(jin)入水(shui)(shui)中并在第(di)1天(tian)(c)超聲(sheng)(sheng)處(chu)理5分(fen)鐘,然(ran)后在水(shui)(shui)中浸(jin)(jin)泡24小時,然(ran)后在第(di)2天(tian)(d)超聲(sheng)(sheng)處(chu)理5分(fen)鐘后的(de)照(zhao)(zhao)片(pian)。數(shu)(shu)碼照(zhao)(zhao)片(pian)顯(xian)示了濕潤的(de)RGO-SA-纖(xian)(xian)維(wei)(wei)素氣(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)對(dui)206g的(de)拉力的(de)機械穩(wen)定性(e)。通過1kg重(zhong)量(liang)壓縮之前(f),期(qi)間(jian)(g)和(he)之后(h)RGO-SA-纖(xian)(xian)維(wei)(wei)素氣(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)的(de)照(zhao)(zhao)片(pian)。
圖3.純纖(xian)維(wei)素氣(qi)凝(ning)膠以(yi)及干(gan)濕(shi)RGO-SA-纖(xian)維(wei)素氣(qi)凝(ning)膠的(de)(de)吸收(shou)光譜(a)。產生太陽能蒸汽的(de)(de)測試裝(zhuang)置(zhi)的(de)(de)數碼照片(b,c),光熱氣(qi)凝(ning)膠吸收(shou)水(shui)滴的(de)(de)延時快照(d),以(yi)及從棉棒到光熱氣(qi)凝(ning)膠的(de)(de)時間依賴(lai)性(xing)水(shui)傳輸(e),其中白色(se)虛線表示(shi)光熱氣(qi)凝(ning)膠表面上干(gan)濕(shi)區(qu)域之間的(de)(de)邊界。
圖4.太(tai)陽(yang)熱蒸發(fa)過程中收集(ji)的原始海(hai)水(shui)和冷凝蒸汽中的離子濃度(a)。在1.0陽(yang)光(guang)照射下,高(gao)度為3cm的RGO–SA–纖維素氣凝膠的循(xun)環(huan)蒸發(fa)性能(b)。
圖5.數字照片顯(xian)示了吸水前(a)和吸水后(hou)(b)光(guang)熱氣凝(ning)膠(jiao)的(de)重量變(bian)化,以及(ji)在(zai)1.0以下的(de)RGO-SA-纖維素氣凝(ning)膠(jiao)(高度3cm)中隨時間(jian)的(de)重量損(sun)失陽光(guang)照射(c)。
從稻草中提取的(de)(de)纖維素纖維用作3D光(guang)熱RGO-SA-纖維素氣(qi)凝膠的(de)(de)骨架支撐。包含稻草纖維顯著(zhu)增(zeng)強了(le)所(suo)(suo)產生的(de)(de)光(guang)熱氣(qi)凝膠的(de)(de)柔韌性(xing)(xing)和機械穩(wen)定性(xing)(xing),并(bing)且還減少(shao)了(le)展(zhan)現高(gao)(gao)光(guang)熱效率所(suo)(suo)需的(de)(de)昂貴(gui)RGO的(de)(de)數量(liang)。獲得的(de)(de)具(ju)有(you)親水性(xing)(xing)多孔結構,重(zhong)量(liang)輕,寬帶吸收強,機械穩(wen)定性(xing)(xing)和柔韌性(xing)(xing)優異的(de)(de)RGO-SA-纖維素氣(qi)凝膠隨后成功地用作太陽能(neng)蒸汽發(fa)生器。增(zeng)加(jia)光(guang)熱氣(qi)凝膠的(de)(de)高(gao)(gao)度,降低頂部和側面蒸發(fa)表(biao)面的(de)(de)溫(wen)度,減少(shao)輻射(she)和對流(liu)損(sun)失,并(bing)從周圍環境中獲得更多能(neng)量(liang)。
此外,為評估海(hai)水(shui)(shui)淡化的(de)(de)(de)(de)可行(xing)性,實際(ji)海(hai)水(shui)(shui)的(de)(de)(de)(de)光(guang)熱(re)(re)蒸(zheng)發(fa)(fa)表明,通(tong)過太(tai)陽(yang)蒸(zheng)發(fa)(fa)可以(yi)(yi)降低(di)鹽度,以(yi)(yi)輕松滿足(zu)WHO和USEPA設定的(de)(de)(de)(de)清潔飲(yin)用水(shui)(shui)標準。由于(yu)其(qi)超親水(shui)(shui)性,RGO-SA-纖維素氣凝膠的(de)(de)(de)(de)吸水(shui)(shui)能力是其(qi)自重(zhong)的(de)(de)(de)(de)20倍以(yi)(yi)上(shang)。對于(yu)3厘米長的(de)(de)(de)(de)光(guang)熱(re)(re)氣凝膠,所吸收(shou)的(de)(de)(de)(de)水(shui)(shui)足(zu)以(yi)(yi)在(zai)1.0次太(tai)陽(yang)照射下(xia)連(lian)續8h連(lian)續進行(xing)太(tai)陽(yang)能蒸(zheng)發(fa)(fa)而(er)無(wu)需外部供水(shui)(shui),這使其(qi)成為可用于(yu)便攜式太(tai)陽(yang)能熱(re)(re)脫鹽系統的(de)(de)(de)(de)有(you)希(xi)望(wang)的(de)(de)(de)(de)材(cai)料。