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劍橋大學(xué)：自修復(fù)和耐損傷水凝膠用于高效太陽(yáng)能水凈化和海水淡化
文章來(lái)源：「高分子材料科學(xué)」微信 更新時(shí)間：2021-07-23 15:23:24
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摘要】
太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的界面蒸發(fā)已成為一種用于高效、清潔水生產(chǎn)的創(chuàng)新和可持續(xù)技術(shù)。現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用依賴于新型低成本、輕質(zhì)和堅(jiān)固的材料，這些材料可以集成到一個(gè)整體設(shè)備中，該設(shè)備能夠承受開(kāi)闊水域的各種現(xiàn)實(shí)條件。盡管迄今為止相關(guān)研究很少，但自修復(fù)構(gòu)件非常需要防止永久性故障、恢復(fù)原始功能和維持界面蒸汽發(fā)生器的使用壽命。
中國(guó)海洋大學(xué)徐曉峰教授，和劍橋大學(xué)Petri Murto教授團(tuán)隊(duì)首次通過(guò)表面調(diào)制和設(shè)備制造中的簡(jiǎn)單工藝集成自修復(fù)水凝膠，展示了具有明確結(jié)構(gòu)的整體式、耐用且自漂浮的界面蒸汽發(fā)生器。淡水和鹽度范圍廣泛的鹽水（36-210 g kg-1）在 1 太陽(yáng)下可實(shí)現(xiàn)超過(guò) 2.0 kg m-2 h-1 的高且穩(wěn)定的水蒸發(fā)率。太陽(yáng)能蒸發(fā)和海水淡化性能是性能最好的界面蒸汽發(fā)生器之一，并且超過(guò)了大多數(shù)由復(fù)合聚合物作為結(jié)構(gòu)部件構(gòu)建的設(shè)備。這項(xiàng)研究提供了一個(gè)視角，并強(qiáng)調(diào)了自修復(fù)和耐損壞材料的未來(lái)機(jī)會(huì)，這些材料可以同時(shí)提高實(shí)際應(yīng)用中界面蒸汽發(fā)生器的性能、耐用性和壽命。相關(guān)論文以題為發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。
【主圖導(dǎo)讀】
團(tuán)隊(duì)利用聚乙烯醇 (PVA)、海藻酸鈉 (SA) 和聚丙烯酸鈉 (PAAS) 的高度親水性、多孔性和廣泛的氫鍵網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，制備了一系列具有雙重增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合水凝膠。由化學(xué)和物理交聯(lián)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵和非共價(jià)相互作用的存在賦予水凝膠良好的機(jī)械性能和快速自愈能力。PAAS 的適當(dāng)摻入進(jìn)一步提高了保水性，并導(dǎo)致水凝膠具有出色的耐鹽性。通過(guò)將自修復(fù)水凝膠與簡(jiǎn)單的表面調(diào)制和設(shè)備制造相結(jié)合，首次展示了具有明確結(jié)構(gòu)的整體式、耐用和自浮動(dòng)界面蒸汽發(fā)生器（圖 1）。
 圖1 該研究中開(kāi)發(fā)的界面蒸汽發(fā)生器的示意圖和工作原理。
水凝膠制備、成分優(yōu)化和自愈特性
PVA是一種水溶性合成聚合物，由于其高親水性、低毒性、生物相容性、生物降解性、良好的機(jī)械強(qiáng)度和易加工性，被認(rèn)為是各種聚合物復(fù)合材料的合適主體材料。SA 是一種天然存在的陰離子聚合物，很容易從棕色海藻中提煉出來(lái)，它由以不同序列或嵌段排列的甘露糖醛 (M) 和古洛糖醛 (G) 單元組成。SA由于其生物相容性、無(wú)毒、低成本和溫和的凝膠化而廣泛用于許多食品和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。在這項(xiàng)研究中，PVA 被用作基質(zhì)并與不同量的 SA 混合，形成一系列流體狀凝膠（物理凝膠）。沒(méi)有化學(xué)交聯(lián)的 PVA 和 SA 凝膠稱為 PVA/SA 凝膠。制備不同凝膠和水凝膠的化學(xué)機(jī)理和反應(yīng)如圖 2 所示。
 圖2 復(fù)合凝膠和水凝膠的制備流程圖。
為了在復(fù)合水凝膠中找到理想的 PVA 和 SA 比例以及適當(dāng)膠凝所需的最小硼砂濃度，將不同體積的硼砂溶液（10 wt% 的水）加入到 PVA（10 wt% 的水中）和 SA（ 3.5 重量％在水中）溶液。在圖 3a 中，數(shù)字對(duì)應(yīng)于兩個(gè)系列溶液中硼砂：PVA 和硼砂：SA 的重量比。通過(guò)具有能量色散 X 射線光譜儀的掃描電子顯微鏡 (SEM) 進(jìn)行的元素映射表明 Na、B、C 和 O 在微觀結(jié)構(gòu)水平上均勻分布在整個(gè) cl-PVA/SA/PAAS 水凝膠中，表明整個(gè)水凝膠中的材料（SA 和 PAAS）和交聯(lián)點(diǎn)（圖 3b）。
 圖3 a) PVA/SA 凝膠理想凝膠化的組分調(diào)制。b) cl-PVA/SA 水凝膠中的元素映射。c) 光學(xué)顯微鏡圖像和 d) cl-PVA/SA 水凝膠自修復(fù)特性的數(shù)碼照片。
機(jī)械和流變特性
進(jìn)行了一系列單軸拉伸試驗(yàn)以闡明 cl-PVA/SA 水凝膠在自愈前后的機(jī)械性能（圖 4a）。首先，將六種 cl-PVA/SA 水凝膠（不同的 PVA:SA 比例為 1:0 和從 1:5 到 5:1 以及固定加載量的硼砂）切成相同尺寸（40 × 10 × 3 毫米）。圖 4b 顯示了六個(gè)試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，相應(yīng)的機(jī)械參數(shù)總結(jié)在圖 4c 中。
 圖4 a) 拉伸試驗(yàn)裝置和試樣。b) 拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線和 c) cl-PVA/SA 水凝膠的機(jī)械性能總結(jié)。d) 拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線和 e)自修復(fù) cl-PVA/SA 水凝膠的機(jī)械性能總結(jié)。f) 不同自修復(fù)時(shí)間下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線和 g) 自修復(fù) cl-PVA/SA (2:1) 水凝膠的機(jī)械性能總結(jié)。在 h) 應(yīng)變掃描和 i) 頻率掃描下 cl-PVA/SA (2:1) 水凝膠的 G' 和 G"。
界面蒸汽發(fā)生器的制造
三個(gè)界面蒸汽發(fā)生器（SG1、SG2 和 SG3）是利用自修復(fù)水凝膠的優(yōu)勢(shì)制造的（圖 5a）。
 圖5 a) 界面蒸汽發(fā)生器裝置制造工藝流程圖。b) SG1、SG2 和 SG3 中太陽(yáng)能吸收器的示意圖和估計(jì)表面積。
 圖6 a）界面蒸汽發(fā)生器中結(jié)構(gòu)部件的示意圖和橫截面SEM圖像。b) 水凝膠隨時(shí)間的吸水率。c) 染色的 cl-PVA/SA/PAAS 水凝膠的 UV-vis-NIR 吸收光譜。d) 界面蒸汽發(fā)生器的平均表面溫度。e) 界面蒸汽發(fā)生器在 1 太陽(yáng)下隨時(shí)間變化的紅外圖像。f) 在 1 個(gè)太陽(yáng)下，水隨時(shí)間的質(zhì)量變化。g)SG3超過(guò)9小時(shí)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試。h) 純水和不同含水量的 cl-PVA/SA/PAAS 水凝膠的 DSC 曲線和 i) cl-PVA/SA/PAAS水凝膠中水的拉曼光譜和譜帶擬合。
 圖7 a) 基于滲透泵效應(yīng)的太陽(yáng)能海水淡化示意圖。b) 1 太陽(yáng)下不同 PAAS 含量的 SG3 太陽(yáng)能脫鹽。c) SG3 在鹽度范圍很廣的鹽水中的水分蒸發(fā)率。d) 太陽(yáng)能淡化過(guò)程中 SG3 表面的數(shù)碼照片。e) SG3 在室內(nèi)環(huán)境中超過(guò) 2 個(gè)月的同步水分蒸發(fā)率和光照強(qiáng)度。f) 鹽水中水凝膠的脫鹽率。g) 具有廣泛鹽度的鹽水中水凝膠的失水/失水。h) 太陽(yáng)能淡化前后海水的一次元素濃度和鹽度。
【總結(jié)】
總之，通過(guò)自修復(fù)聚合物水凝膠的輕松集成成功制造了整體式、耐用且自漂浮的界面蒸汽發(fā)生器，并證明其可用于高性能太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的水蒸發(fā)和脫鹽。選定的復(fù)合聚合物作為水凝膠中的構(gòu)建塊提供了設(shè)計(jì)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，其合理性如下：i）利用豐富的動(dòng)態(tài)共價(jià)和非共價(jià)鍵，通過(guò)化學(xué)和物理交聯(lián)成功形成自修復(fù)水凝膠PVA、SA 和 PAAS。它們的保水性、機(jī)械性能和自愈能力很容易通過(guò)改變材料成分的質(zhì)量比來(lái)調(diào)節(jié)，從而首次開(kāi)發(fā)出用于界面蒸汽發(fā)生器的自愈和耐損壞構(gòu)件；ii) 表面粗糙度的調(diào)節(jié)和結(jié)構(gòu)元件（太陽(yáng)能吸收器和水路）的集成通過(guò)自愈過(guò)程得到了顯著簡(jiǎn)化； iii) 優(yōu)化的材料組件和合理的器件結(jié)構(gòu)使整體器件中太陽(yáng)能吸收、浮力、耐久性、水?dāng)U散、熱定位和耐鹽性的協(xié)同管理成為可能。結(jié)果，淡水設(shè)備在 1 個(gè)太陽(yáng)下達(dá)到了 ≈2.2 kg m-2 h-1 的高且穩(wěn)定的水蒸發(fā)率。由于 PAAS 誘導(dǎo)的復(fù)合水凝膠內(nèi)的高滲透壓和離子濃度，超過(guò) 2.0 kg m-2 h-1 的可比水蒸發(fā)率保留在鹽度范圍從 36 到 210 g kg-1的鹽水中。太陽(yáng)能蒸發(fā)和海水淡化性能在效率最高的界面蒸汽發(fā)生器中名列前茅，超過(guò)了大多數(shù)使用 PVA、SA 和 PAAS 作為結(jié)構(gòu)部件構(gòu)建的裝置。這項(xiàng)工作突出了使用自修復(fù)水凝膠制造堅(jiān)固且耐損壞的材料平臺(tái)的巨大潛力，實(shí)現(xiàn)了新一代界面蒸汽發(fā)生器，這些蒸汽發(fā)生器可以自我減輕物理?yè)p傷，避免永久性故障并在各種不同的自然環(huán)境中恢復(fù)原始功能。 |
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