高祥虎、刘刚研究员团队海水淡化光热界面蒸发研究取得新进展

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水资源短缺引发人类越来越多的关注，急需寻找经济和可持续的方法净化海水。太阳能驱动的界面水蒸发利用太阳能界面集热的方式实现海水淡化，是最有希望获得高质量淡水的方法之一。为实现高效的蒸发速率和光热转化效率，大量研究工作侧重于太阳能蒸发器的结构设计和材料的选择上，尤其是对宽光谱吸收率光热转换材料的选择。过去的十几年，大部分光热转化材料都是围绕等离激元材料、碳材料和半导体材料进行。过渡金属氮化物成本低，可作为一种可替代Au、Ag等离激元材料的金属导电陶瓷材料。开展超高温陶瓷作为等离激元材料的光驱动界面水蒸发应用具有重要意义。
　　中国科学院兰州化学物理研究所清洁能源化学与材料研究室低碳能源材料组高祥虎副研究员、刘刚研究员团队，致力于超高温陶瓷碳化物和硼化物在界面蒸发领域的应用研究。
　　研究人员制备出ZrC光热转化薄膜并将其组装于2D水通道蒸发结构中，制作了具有95%太阳光吸收能力的界面蒸发装置（图1）。蒸发实验表明，该装置的水蒸发率可达1.43 kg·m-2·h-1，光热转化效率为98%，这一结果高于之前报道的Au、Ag和过渡金属氮化物的蒸发性能，证明了超高温陶瓷碳化物具有优良的等离激元应用前景（Chemical Engineering Journal , 2022, 429, 132014）。

图1. ZrC组装的2D界面蒸发结构及其性能

　　基于上述实验结果，研究人员又选用ZrB2作为吸光材料，将其与3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）混合刷涂于硅酸铝陶瓷纤维板表面，制备出具有优异光吸收能力（α=95%）的耐盐污界面蒸发装置（图2），该装置的水蒸发率高达2.07 kg·m-2·h-1。研究过程中发现硅酸铝陶瓷纤维板内部的微观结构可与水结合生成过渡水，水状态的改变极大地降低了水蒸发所需的能量，从而获得了超出理论极限值的蒸发效率。此外，孔阵列排布可改善装置的耐盐污能力，使其能够长期、高效、稳定应用于海水蒸发（Chemical Engineering Journal, 2022, 431, 134333）。

图2. ZrB2组装的界面蒸发结构及其耐盐污能力

　　上述工作开发出了兼具优良光吸收性能和海水淡化能力的界面蒸发装置，拓展了高效光热界面蒸发材料的选择。艾森博士为上述论文第一作者，高祥虎副研究员和兰州交通大学陈永志教授为通讯作者。
　　该工作得到了中科院青年创新促进会、中科院科技服务网络计划区域重点项目和甘肃省科技重大专项的支持。


       文章来源：兰州化物所
       刘刚，博士，研究员，博士生导师。中国科学院兰州化学物理研究所环境材料与生态化学研究发展中心副主任，国家马铃薯产业技术体系贮藏加工研究室主任，加工副产品综合利用岗位专家。科技部科技型中小企业技术创新基金评审专家。中国作物学会马铃薯专业委员会第六届理事，加工利用学部副主任。中国能源学会第二届理事会理事。中国化学学会永久会员。中国环境科学学会高级会员。民盟甘肃省委副主委，甘肃省政协常委。甘肃省跨世纪人才“333工程”一、二层人选。甘肃省重大项目建设管理咨询专家，甘肃省工程决策咨询专家委员会委员。
多年来从事农产品功能营养成分分离技术、农产品加工与材料、环境与能源材料、水处理工程技术和有机/无机复合高分子材料方面的研究开发工作。在国内外学术期刊发表论文80余篇，已获得专利授权16项。