北京化工大学|汪乐余教授课题组AFM: 气体发泡策略制备宽吸收、高光热效率和稳定的三维多孔等离子纳米结构用于太阳能水净化- 大数跨境

首页

北京化工大学|汪乐余教授课题组AFM: 气体发泡策略制备宽吸收、高光热效率和稳定的三维多孔等离子纳米结构用于太阳能水净化

科学材料站

2020-10-10

导读：该工作通过原位气体发泡策略，利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）一步封装具有良好光热性能的纳米颗粒Cu7S4-MoS2-Au (CMA NPs)，从而构建三维多孔光热纳米结构，再经过原位聚合进行表面亲水修饰

文章信息

气体发泡策略制备具有宽带吸收，形状可控，稳定性好及光热效率高的三维多孔等离子纳米体系用于太阳能水净化

第一作者：王辉

通讯作者：许苏英*，汪乐余*

单位：北京化工大学，化工资源有效利用国家重点实验室，北京软物质科学与工程高精尖创新中心

研究背景

根据联合国的调查数据显示，截至2017年，全球仍有22亿人无法获得安全的饮用水，预计到2025年全球半数人口将居住在水资源紧张地区。太阳能是地球上最丰富和可再生的能源，传统的海水淡化技术目前已实现商业化应用，但现有的海水蒸发技术存在能耗高，工艺复杂等问题。

随着纳米技术的发展，近年来新型的太阳能净化水技术越来越多地被报道，特别是基于自然太阳光驱动的光热水净化体系。高效的光热水净化系统需要具备几个核心要素，首先需要具有宽带光吸收及高光热转化效率的材料以实现太阳光的有效捕获，其次是热能限域设计，即转化的热能只用于界面水的蒸发，同时要尽量降低热传导率以减少热能向周围环境耗散，再者是良好的机械性能及水传输能力。

其中，高效的太阳光捕获及转化材料的开发及设计是近年来研究的热点，包括当前被广泛报道的碳材料、有机光热材料及等离子体纳米材料等。而如何设计新型的等离子体纳米材料，使其光谱吸收范围宽（尤其是全光谱吸收性能）及光热转化效率高，仍然是个挑战。

此外，现有的光热水净化体系往往采用表面物理吸附方式将吸光体负载于水传输系统，或采用具有光热性能的材料制备水凝胶作为水传输系统，因此，存在机械性能差及恶劣环境不耐受的问题，不适于规模化生产和应用。

文章简介

近日，北京化工大学汪乐余教授课题组在国际期刊Adv. Funct. Mater.上发表题为“Gas Foaming Guided Fabrication of 3D Porous Plasmonic Nanoplatform with Broadband Absorption, Tunable Shape, Excellent Stability, and High Photothermal Efficiency for Solar Water Purification”的研究工作。

该工作通过原位气体发泡策略，利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）一步封装具有良好光热性能的纳米颗粒Cu7S4-MoS2-Au (CMA NPs)，从而构建三维多孔光热纳米结构，再经过原位聚合进行表面亲水修饰，实现水的高效传输。

该制备策略可有效防止光吸收体的剥离或脱落，同时又保持了良好的三维水传输能力，以增加水蒸发表面积。另外，研究人员通过材料结构的合理设计、水蒸发界面的优化实现了良好的热限域和优异的水蒸发性能。基于多孔PDMS良好的机械性能和化学惰性，研究人员开发了水蒸发速率高、机械性能优异、可折叠、可重复使用的光热水蒸发材料，并在海水淡化、污水净化等领域展现出良好的实际应用前景。

该文章第一作者为北京化工大学的博士研究生王辉，许苏英副教授和汪乐余教授为本文共同通讯作者。

本文要点

要点1：原位气体发泡策略一步法构建3D多孔光热纳米材料

图1示例了3D多孔光热纳米结构CMA/PPN的制备过程。在聚二甲基硅氧烷的形成过程中同时引入Cu7S4-MoS2-Au 纳米颗粒(CMA NPs)纳米等离激元作为光热转化材料、碳酸氢铵（NH4HCO3）作为气体发生剂，一步热聚合形成3D多孔光热纳米结构CMA/PPN。

同时用丙烯酸在材料表面原位聚合进行表面亲水化修饰，提高材料的水传输性能。图1c表明，该制备方法得到的三维多孔材料具有良好的机械性能。

图1d中水在材料表面的接触角测试表明，经过聚丙烯酸表面修饰后接触角由115°减小到32°，显著提高了多孔材料的亲水性。同时扫描电镜图显示该多孔材料具有多级孔道结构，为水的高效传输提供了基础。材料中的闭孔使得该三维多孔光热材料具有自支撑能力，同时减少材料的热量耗散。

图1. 制备过程及结构表征。（a）3D多孔光热纳米结构CMA/PPN的制备过程。（b）实物照片。（c）多孔PDMS优异的弹性性能。（d）材料表面聚丙烯酸修饰前后接触角测试。（e-g）3D多孔光热纳米结构CMA/PPN不同分辨率下的扫描电镜照片。（h）多孔PDMS荧光共聚焦成像三维重构图。

要点2：光热纳米颗粒的吸收光谱调控以及三维多孔光热纳米结构的高效水蒸发

图2对比了不同纳米颗粒的吸收光谱（图2d），并将不同的纳米颗粒与多孔PDMS 复合得到了一系列的三维多孔光热纳米材料（图2e），表明了该方法的普适性。纳米颗粒的吸收光谱（图2d）表明，相比于其他纳米颗粒，CMA具有最优的光吸收性能。

图2. 光热纳米颗粒及多孔材料的表征。（a-c）光热纳米颗粒CMA的TEM,HRTEM和元素分布表征。（d）不同纳米颗粒的吸收光谱对比。（e）不同光热纳米颗粒复合的三维多孔光热纳米材料。（f）3D多孔光热纳米结构CMA/PPN的吸收光谱和反射光谱。

CMA/PPN的吸收及反射光谱（图2f）表明，该多孔光热纳米材料有较高的光吸收能力，为CMA/PPN优异的光热水蒸发性能提供了基础。通过探究掺杂不同纳米材料的3D多孔光热纳米材料在黑暗及光照条件下水蒸发效率，可清楚发现设计的三维多孔结构及表面的亲水性修饰可有效增强水体蒸发，即三维多孔纳米材料具有较低的水蒸发焓变(图3a和3b)。

图3d显示，经过30 min的照射后体相水保持了较低的温度，水体的升温仍集中在水体表面，表明3D多孔材料可以有效降低热损失，提高能量的利用率。进一步地，为了理解和阐述在水蒸发过程中，CMA/PPN材料内部的能量、水以及蒸汽的传输情况，研究人员进行了COMSOL多物理场仿真模拟。

模拟结果显示，CMA/PPN材料在光热水蒸发过程中能有效防止能量向下扩散，减小不必要的能量耗散，这与实验结果里照射30 min后的体相水温变化相一致。此外，压强分布模拟结果显示，在光热水蒸发的过程中，材料顶部会形成相对低压区域，为水的持续传输提供了动力。

图3. 材料的水蒸发性能研究。（a-b）黑暗条件下体相水及不同材料的水蒸发速率和相应的等效焓变。（c-d）CMA/PPN材料的水蒸发实物图和对应的红外热成像图。（e-f）不同多孔光热纳米材料在1 KW/m2太阳光照下的升温曲线和水失重曲线。（k）不同材料在1 KW/m2太阳光照下的水蒸发速率和能量利用效率。

要点3：3D多孔光热纳米材料良好的实际应用潜力

为了证明CMA/PPN材料的实际应用能力，研究人员搭建了简易的光热水蒸发装置（图4a）。离子浓度测定结果（图4b）显示，海水纯化前后的主要离子（Na+、Mg2+、Ca2+、K+）浓度降低了4个数量级左右，达到了饮用水的标准。

CMA/PPN材料不同压缩强度下的应力应变曲线（图4c）显示，该材料在压缩50%、60%、70%的情况下均能很好的恢复，表明该材料具有良好的机械性能。

进一步研究发现，CMA/PPN材料可以在强酸、强碱、强氧化性和高浓度盐的条件下表现出良好的和稳定的光热水蒸发性能，显示该材料在实际复杂环境水体中应用的巨大潜力。

图4. 3D多孔光热纳米材料的实际应用。（a）自制的简易水纯化装置图。（b）海水纯化前后的主要离子浓度对比。（c）CMA/PPN材料不同压缩强度下的应力应变曲线。（d）CMA/PPN材料的储能模量（G’）和损耗模量（G”）测定。（e）CMA/PPN材料在不同条件下（强酸，强碱，强氧化性）的性能稳定性测试。（f）水蒸发过程中盐在材料表面的析出和溶解。

结论

在此工作中，研究人员将具有良好光热效应的纳米颗粒（CMA NPs）在气体扩散过程中封装于多孔PDMS基质中，并经过丙烯酸原位聚合表面亲水修饰，构建了具有多级孔道结构的3D高效光热水蒸发纳米材料。在1 KW/m2的光照强度下，所制备的CMA/PPN材料表现出了3.824 kg m-2 h-1的光热水蒸发速率和96.6%的能量效率。

研究人员认为，较高的光热水蒸发速率归功于所制备的CMA NPs较宽的吸收、3D多孔材料较快的水传输和水蒸气扩散速率，同时受益于3D多孔光热材料较低的导热率以及较小的水蒸发等效焓变。

此外，研究人员设计的自悬浮CMA/PPN光热水蒸发纳米材料表现出良好的机械性能和在苛刻条件下优异的稳定性能。因此，该项研究在海水淡化，污水处理等领域展现出良好的实际应用前景。

文章链接

Gas Foaming Guided Fabrication of 3D Porous Plasmonic Nanoplatform with Broadband Absorption, Tunable Shape, Excellent Stability, and High Photothermal Efficiency for Solar Water Purification

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202003995

通讯作者介绍

汪乐余，教授，博导

教育部新世纪优秀人才、国家杰出青年基金获得者。2007年7月博士毕业于清华大学化学系，同年8月去美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）从事博士后研究，2009年10月加入北京化工大学理学院（现化学学院）、化工资源有效利用国家重点实验室，任教授、博导。主要围绕高性能无机纳米晶的设计、合成及其在催化、能源、生化传感与成像分析中的应用开展研究，在包括J. Am. Chem. Soc.、 Angew. Chem. Int. Ed.、 Nat. Commun.、 Adv. Mater.、 Nano Lett、 Anal. Chem.、 ACS Nano、 Small 等期刊上共计发表 SCI 收录论文 140 余篇，他引 7000 多次，相关技术获授权中国发明专利 30余项。

许苏英，副教授，硕导

2014年博士毕业于英国巴斯大学，2014-2015年在英国巴斯大学生物化学系从事博士后工作，于2015年加入北京化工大学理学院（现化学学院）。主要从事分子探针的设计、功能纳米材料的合成及其在生化传感、医学影像及光热诊疗中的应用研究。