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100%選擇性丨曲良體&袁家寅&程虎虎Nature Water：多功能太陽(yáng)能集水器

來(lái)源：時(shí)間：2023-11-09 09:51:28 瀏覽：1576次

第一作者：Xuanzhang Hao

通訊作者：曲良體教授、程虎虎助理研究員、袁家寅教授

通訊單位：清華大學(xué)、斯德哥爾摩大學(xué)

DOI: https://doi.org/10.1038/s44221-023-00152-y

研究背景

清潔水的短缺在世界范圍內(nèi)持續(xù)增長(zhǎng)，最近的太陽(yáng)能界面系統(tǒng)已經(jīng)成為一種可持續(xù)、高效和CO₂中性的生產(chǎn)清潔水的方法。然而，地表水中復(fù)雜的污染物伴隨著環(huán)境污染，通過(guò)以前的策略收集清潔水出現(xiàn)了巨大的障礙?；诖?，清華大學(xué)曲良體教授和程虎虎助理研究員、瑞典斯德哥爾摩大學(xué)袁家寅教授等人報(bào)道了一種太陽(yáng)能石墨烯/海藻酸鹽水凝膠（graphene/alginate hydrogel, GAH）為基礎(chǔ)的清潔水萃取器，能夠抵抗復(fù)雜污染物的輸送并具有超強(qiáng)的防污能力。將GAH與高密度內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿生表面工程結(jié)合，在太陽(yáng)能純水提取中表現(xiàn)出高選擇性，對(duì)含有復(fù)雜污染物的地表水具有多重有效的防污能力。

文章要點(diǎn)

1、對(duì)揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）的高選擇性水傳輸源于缺乏大量本體水，以及水和污染物分子通過(guò)與GAH中的聚合物網(wǎng)絡(luò)形成足夠的氫鍵以結(jié)合狀態(tài)傳輸?shù)牟煌芰?。通過(guò)在GAH和受污染的地表水之間建立高滲透壓差來(lái)實(shí)現(xiàn)離子的排斥，在魚(yú)鱗型石墨烯微納米結(jié)構(gòu)表面上，入射光的結(jié)構(gòu)捕獲增強(qiáng)了太陽(yáng)能熱轉(zhuǎn)換能力，基于親水微納結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)Cassie接觸的超疏油功能實(shí)現(xiàn)了水下防油污功能，暴露的還原氧化石墨烯（rGO）納米片獲得了表面抗生作用。

2、該GAH通過(guò)排斥超過(guò)99.5%的VOCs，99.3%的離子（Na⁺、Mg²⁺、K⁺和Ca²⁺）和100%的NOCs和細(xì)菌，從受污染的地表水中獲得清潔水。此外，GAH的浸沒(méi)油接觸角超過(guò)140°，具有抗油附著力，對(duì)海水的表面抗菌效果接近100%，離子截留率為94.9%，在復(fù)雜條件下具有理想的防污能力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)已報(bào)道的結(jié)果。本研究對(duì)于推廣太陽(yáng)能清潔集水技術(shù)，解決水環(huán)境污染問(wèn)題具有重要價(jià)值。

圖文展示

圖1. GAH在清潔水生產(chǎn)中的優(yōu)點(diǎn)示意圖

圖2. GAH的制備與表征

圖3. GAH-3中的束縛水狀態(tài)

圖4. GAH在清水選擇性收集中的性能

圖5. GAH在污水中的超強(qiáng)防污性能

圖6. GAH的離子抑制機(jī)制和實(shí)際性能

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