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  傳統(tǒng)的分離與純化技術是一個高能耗、高成本的過程，在當前能源危機和環(huán)境壓力不斷增加的情況下，急需革新技術以突破能耗障礙。太陽能是一種清潔、可再生能源，高效開發(fā)和利用太陽能得到全世界的重視，也是我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內容。太陽能光熱蒸發(fā)技術因其可持續(xù)、低/無能耗、零CO2排放等特點，近年來成為分離領域的研究熱點，在海水淡化、污水凈化等方面展現出巨大應用潛力。其中光熱轉化材料是該技術的核心，主要包括等離激元材料、碳納米材料和半導體材料三類材料，然而制備復雜、成本高、穩(wěn)定性低等是當前限制光熱材料推廣和阻礙光熱技術發(fā)展的主要原因，因此研發(fā)高轉化效率、低成本、高穩(wěn)定性和普適性的光熱轉化材料顯得尤為重要和迫切。

  近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所劉富研究員團隊在前期光熱材料多介質純化應用研究的基礎上（J. Mater. Chem. A 2019, 7, 586-593），發(fā)展了一種低成本的全生物質光熱蒸餾器，并實現了從多種含水介質中提取純水（如圖1）。基于水稻秸稈生物質，通過限氧裂解方法得到多孔碳基光吸收材料，并與細菌纖維素復合制得高穩(wěn)定性、高機械強度的光熱蒸發(fā)膜，太陽光吸收達89.4%。同時利用秸稈生物質的空腔結構作為汲水通道和支撐體來構筑界面蒸發(fā)系統(tǒng)，水稻秸稈獨特的毛細內腔和壁面多級微納結構賦予該原生通道優(yōu)異的無障礙供水能力。由光熱蒸發(fā)膜和汲水通道組裝成的全生物質光熱蒸餾器，用于模擬海水淡化裝置進行連續(xù)室外運行，在晴天和多云天氣下日產水量分別為6.4～7.9kgm^-2和4.6～5.6kgm^-2，且直接達到飲用標準（鹽離子去除率保持在99.9%以上）。除了適用于海水淡化，該生物質光熱蒸餾器還可從灘涂、濕地、沼澤等含水介質中穩(wěn)定提取純凈水，展現出良好的普適性。相關工作發(fā)表在ACS Appl. Mater. Interfaces. 2019, DOI: 10.1021/acsami.9b00291，該工作得到阿卜杜拉國王科技大學Peng Wang教授的合作支持。

圖1 全生物質光熱蒸餾器設計與光熱蒸發(fā)性能

  除了水溶液，研究團隊針對有機溶劑體系的分離與純化，進一步研發(fā)了耐溶劑光熱材料，首次系統(tǒng)性研究了太陽能光熱蒸發(fā)技術在有機溶劑純化中的應用。普魯士藍（PB）是一類典型的Fe²⁺-C≡N-Fe³⁺面心立方晶配位聚合物，具有優(yōu)異的水溶液和有機溶劑穩(wěn)定性，晶體內Fe²⁺和Fe³⁺可發(fā)生電荷轉移賦予PB特定的光熱效應，然而結晶度和晶體空位是影響PB光熱轉化效率的關鍵因素。課題組基于單一鐵源，通過慢速結晶的配位聚合，合成低空位率、高結晶度的普魯士藍（PB）納米立方晶體（如圖2），并通過原位生長將其負載在同樣耐溶劑的棉纖維（CF）基體上，載量可控且結合穩(wěn)定。制備的PB@CF復合纖維材料綜合了光熱轉化和溶劑自汲取功能，光吸收達到93.7%；成功應用于水和一系列有機溶劑（介電常數2.38～37.78）的光熱純化，在保持99.9%去除率的前提下，蒸發(fā)通量從丙酮的29.2 Lm^-2h^-1到N-甲基吡咯烷酮的0.73Lm^-2h^-1不等（一個太陽下），與溶劑蒸發(fā)焓成顯著負相關。對部分有機溶劑的純化效率與傳統(tǒng)壓力驅動的耐有機溶劑納濾膜相當。此外對高極性溶劑（DMAC）呈現出穩(wěn)定的光熱蒸發(fā)性能，對DMAC溶劑純化運行3個月仍可保持穩(wěn)定蒸發(fā)速率。該研究結果有望應用于化工和醫(yī)藥領域的溶劑體系分子篩分、溶劑回收、催化劑循環(huán)利用等，相關工作發(fā)表在J. Mater. Chem. A 2019, DOI: 10.1039/C9TA00798A。

圖2 針對系列有機溶劑純化的高可靠普魯士藍（PB）光熱轉化器件設計

  以上工作得到國家自然科學基金委面上項目（51603209），國家自然科學基金委與香港研究資助局聯(lián)合項目（5161101025、N-HKU706/16）以及寧波市科技局（2017C110034）等項目支持。

  論文鏈接：

  https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsami.9b00291

  https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2019/TA/C9TA00798A#!divAbstract