【儀表網 研發快訊】水資源短缺是21世紀最重要的全球性問題之一。聯合國報告顯示，全球約四分之一的人口無法獲得安全的飲用水。近年來，太陽能輻射驅動的海水淡化新方法獲得了極大的關注。青島能源所崔球研究員帶領的代謝物組學研究組，在前期對紙漿泡沫材料研發的基礎上，通過天然橡膠的協同增強和泡沫表面碳化，開發出一種高穩定性、低成本、且易于規模化制備的新型纖維素基太陽能光熱轉化材料。
紙漿泡沫是一種廉價、環保的新型多孔材料。它以紙漿纖維為原料，利用表面活性劑在紙漿纖維分散液中常溫常壓空氣發泡，泡沫可阻止纖維液相絮聚以及干燥坍縮，從而形成均勻的多孔結構，濾水干燥后制得泡沫材料。研究人員在前期研究中借助硼離子交聯和引入適量天然聚合物，開發出可實現功能性定制化加工的新型紙漿泡沫材料(授權發明專利ZL201910006983.2, ZL201910007105.2; Chem. Eng. J., 2019, 371, 34-42; Carbohydr. Polym., 2022, 278, 118963)，在新型綠色包裝、建筑、保溫隔熱和吸音等領域應用前景廣闊。
為了進一步提高紙漿泡沫材料的抗水性，研究人員引入天然橡膠作為交聯劑，采用簡易的表面碳化工藝賦予碳化后的紙漿泡沫材料(CPNR)優異的光熱轉化效果。CPNR 由頂部的光熱轉換層及下部的紙漿泡沫層組成，無需界面粘合或改性處理。頂部光熱轉換層具有優異的光吸收能力(93.2%)，可以吸收入射的太陽光并通過光熱轉換作用將其轉化為熱量，從而驅動水分蒸發。下部的紙漿泡沫層可以將水分由底部傳導運輸至頂部光熱轉換層。而且，CPNR 的多孔結構、低導熱性(0.1 W mK-1)和豐富的羥基結構使其具有優異的隔熱和吸水性能(9.9 g g-1)。本研究制備的CPNR在一個模擬太陽光照強度下，水蒸發速率和效率分別達1.6 kg m-2 h-1和98.1%。此外，CPNR還具有優異的鹽分自清潔及防止鹽分累積的性能，并且采用來源廣泛的纖維素及簡單的表面碳化工藝，使其成本效益顯著優于現有的光熱轉化材料。模擬實驗證實，這種新型纖維素基光熱轉化材料可用作水蒸發器，有望用于海水淡化、鹽/金屬離子濃縮和污水處理等領域。
相關研究結果近期發表于ACS Appl. Mater. Inter《美國化學會-應用材料與界面》，論文第一作者是聯合培養博士研究生的張義棟(芬蘭埃博學術大學)，通訊作者是青島能源所的劉超高級工程師、李濱研究員，及加拿大湖首大學的Pedram Fatehi教授。
相關系列研究得到了國家自然科學基金、山東省自然科學杰出青年基金、山東能源研究院和青島市等項目的大力支持。
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