李滨等构筑了新型纤维素基太阳能光热转化材料

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水资源短缺是21世纪最重要的全球性问题之一。联合国报告显示，全球约四分之一的人口无法获得安全的饮用水。近年来，太阳能辐射驱动的海水淡化新方法获得了极大的关注。青岛能源所崔球研究员带领的代谢物组学研究组，在前期对纸浆泡沫材料研发的基础上，通过天然橡胶的协同增强和泡沫表面碳化，开发出一种高稳定性、低成本、且易于规模化制备的新型纤维素基太阳能光热转化材料。
　　纸浆泡沫是一种廉价、环保的新型多孔材料。它以纸浆纤维为原料，利用表面活性剂在纸浆纤维分散液中常温常压空气发泡，泡沫可阻止纤维液相絮聚以及干燥坍缩，从而形成均匀的多孔结构，滤水干燥后制得泡沫材料。研究人员在前期研究中借助硼离子交联和引入适量天然聚合物，开发出可实现功能性定制化加工的新型纸浆泡沫材料（授权发明专利ZL201910006983.2, ZL201910007105.2; Chem. Eng. J., 2019, 371, 34-42; Carbohydr. Polym., 2022, 278, 118963），在新型绿色包装、建筑、保温隔热和吸音等领域应用前景广阔。

　　为了进一步提高纸浆泡沫材料的抗水性，研究人员引入天然橡胶作为交联剂，采用简易的表面碳化工艺赋予碳化后的纸浆泡沫材料（CPNR）优异的光热转化效果。CPNR 由顶部的光热转换层及下部的纸浆泡沫层组成，无需界面粘合或改性处理。顶部光热转换层具有优异的光吸收能力（93.2%），可以吸收入射的太阳光并通过光热转换作用将其转化为热量，从而驱动水分蒸发。下部的纸浆泡沫层可以将水分由底部传导运输至顶部光热转换层。而且，CPNR 的多孔结构、低导热性（0.1 W mK-1）和丰富的羟基结构使其具有优异的隔热和吸水性能（9.9 g g-1）。本研究制备的CPNR在一个模拟太阳光照强度下，水蒸发速率和效率分别达1.6 kg m-2 h-1和98.1%。此外，CPNR还具有优异的盐分自清洁及防止盐分累积的性能，并且采用来源广泛的纤维素及简单的表面碳化工艺，使其成本效益显著优于现有的光热转化材料。模拟实验证实，这种新型纤维素基光热转化材料可用作水蒸发器，有望用于海水淡化、盐/金属离子浓缩和污水处理等领域。
　　相关研究结果近期发表于ACS Appl. Mater. Inter《美国化学会-应用材料与界面》，论文第一作者是联合培养博士研究生的张义栋（芬兰埃博学术大学），通讯作者是青岛能源所的刘超高级工程师、李滨研究员，及加拿大湖首大学的Pedram Fatehi教授。
　　相关系列研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学杰出青年基金、山东能源研究院和青岛市等项目的大力支持。（文/图 刘超 张义栋）
　　原文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c21260
　　Zhang, Y., Deng, W., Wu, M., Liu, Z., Yu, G., Cui, Q., Liu, C.*, Fatehi, P.*, Li, B.* Robust, scalable, and cost-effective surface carbonized pulp foam for highly efficient solar steam generation. ACS Applied Materials & Interfaces, 2023.
　　发明专利信息：
　　一种高光热转化效率的木质纤维基泡沫材料及制备和应用，中国，发明专利，CN 202210690228.2；一种高光热转化效率的可降解生物基泡沫材料及制备和应用，中国，发明专利CN 202210690227.8。
       文章来源：青岛能源所
       李滨，博士，研究员，2003年获陕西科技大学工学学士学位，2009年获华南理工大学工学博士学位；2009.9-2011.12，于加拿大University of New Brunswick做博士后研究；2013年，获评芬兰Johan Gadolin 学者，并于Åbo Akademi University 访问十个月；2012.2-至今，就职于中国科学院青岛生物能源与过程研究所，木质纤维精炼课题组负责人，主要研究木质纤维利用基础与应用，已在J. Mater. Chem. A、ACS Sustain. Chem. Eng.等国际主流刊物上发表学术论文50余篇，发表英文书籍1章，申请中国发明专利31项，PCT国际专利1项，已授权中国发明专利10余项。现为中国造纸学会纳米纤维素及材料专业委员会委员，中国微米纳米技术学会高级会员、美国化学学会会员。近5年，主持国家级、中科院、山东省重点研发计划、国际合作以及与国内企业合作项目等10余项，目前正在参与中科院先导A专项“变革性洁净能源关键技术与示范”，积极推进基于秸秆原料生物质精炼综合利用的纤维素乙醇关键技术开发。