光熱轉化碳纖維用於多介質純化方面研究獲進展

太陽能作為一種清潔可持續的綠色能源成為近年來能源轉化利用的焦點，已經被廣泛應用於光伏發電、光催化及光熱轉化等領域。其中利用光熱轉化原理進行海水淡化，是一種低成本、低維護的海水淡化技術。目前的光熱轉化材料主要有碳基材料、等離激元材料以及半導體材料等，上述材料由於其自身的物理化學穩定性，在高鹽霧、高溫度、高濕度以及高腐蝕等極端環境下存在應用局限，比如高鹽海水（10wt%）、苦鹹水、強極性有機溶劑、油水乳液等多介質的分離及純化等。

為解決上述問題，中國科學院寧波材料技術與工程研究所先進功能膜團隊研究員劉富設計並製備了一種具有超穩定環境耐受性的碳纖維材料，用於光熱轉化多介質純化。研究團隊通過水熱合成技術在碳纖維表面引入穩定的碳層，提高表面粗糙度，比表面積增加到0.5m2g，在波長為200-2500nm的光吸收由改性前的89%提升到97%；並且碳化改性過程中有部分極性官能團引入，改性後的碳纖維的表面極性提高，極性表面能提高到20mM/m，使得碳纖維能夠依靠纖維之間的毛細力對液體（水或者有機溶劑）進行自提取，不需要附加額外的汲取材料，簡化了太陽能蒸發器件的設計。編織後的碳纖維層可直接作為汲水及光熱轉化層進行多種介質的純化。

實驗結果表明，碳化改性後的碳纖維的光熱轉化效率可達到92.5%，在一個標準太陽下對海水的光熱轉化速率達到1.47Kgm-2h-1，在五個標準太陽下光熱轉化速率為～5.86Kgm-2h-1，並且對高鹽海水（模擬死海海水，鹽濃度10wt%）具有長期穩定的脫鹽效果，碳纖維蒸餾器在室外連續運行10天，每天的產水量穩定在～7Kgm-2，並保持穩定的機械強度。由於碳纖維豐富的多級纖維結構及良好的毛細汲水能力，對於高鹽海水在纖維表面的結晶具有良好的溶解及自修復能力，結晶析出在碳纖維表面的鹽經過一晚上靜置，會重新溶解到海水中，從而不會影響碳纖維的光熱轉化效果。此外，改性後的碳纖維對於水包油乳液（非揮發性硅油）具有良好的去除效果，水中硅油含量可由10000ppm降低到11.9ppm；可對印染行業中含染料的有機溶劑如二甲基乙醯胺進行純化，表現出良好的脫色及純化效果，染料去除率達99.99%，蒸發速率為0.98Kgm-2h-1，並且可以長期耐受強極性有機溶劑二甲基乙醯胺（浸泡10天），其機械強度不發生變化。

上述結果表明碳化改性碳纖維材料，在多介質純化領域具有廣闊的應用前景，如高鹽海水脫鹽、有機溶劑脫色、油水乳液脫油等，大大拓展了目前碳纖維以及光熱轉化材料在溶劑純化方面的應用領域。該成果以Ultra-robust carbon fibers for multi-media purification via solar-evaporation為題發表於Journal of Materials Chemistry A(DOI: 10.1039/c8ta08829b)。博士生李田田和副研究員方齊樂為該論文的共同第一作者，劉富為該論文的通訊作者。

圖1 碳化改性碳纖維光熱轉化性能

圖2 碳化改性碳纖維對水包油乳液和含染料有機溶劑的純化性能

來源：中國科學院寧波材料技術與工程研究所

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！