Fibra di carbonio rivestita da nanofoglio di cellulosa di quinoa con eccezionale sale scagliato

Jul 29, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 8777 (2022) Citare questo articolo

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Ad oggi, sono state sviluppate varie tecnologie di evaporazione alimentate dall'energia solare per il trattamento dell'acqua di mare e delle acque reflue, ma con la minaccia dell'inquinamento salino e del trattamento singolo dell'acqua di mare. Qui, sviluppiamo un evaporatore multifunzionale costruito in fibra di carbonio rivestita da nanofoglio di cellulosa di quinoa (CFQC) con eccezionali prestazioni autopulenti e buone proprietà di purificazione per il trattamento dell'acqua inquinata da sostanze organiche e antibiotiche. Il risultante Zn-CFQC mostra buone prestazioni luce-termiche che possono assorbire circa l'86,95% della luce nell'intervallo UV-Vis-NIR (200-2500 nm); pertanto, le temperature superficiali bagnate e secche di Zn-CFQC sono mantenute rispettivamente a 62,1 e 124,3 ° C e mantengono una velocità di 3,2 kg m−2 h−1 per l'evaporazione dell'acqua con un'illuminazione di 1000 W m−2. Tali buone capacità luce-termiche possono essere principalmente attribuite alle microstrutture superficiali uniche della fibra di carbonio decorata da cellulosa bidimensionale e attivata da ZnCl2. Inoltre, lo Zn-CFQC mostra una buona capacità di pulizia automatica del sale durante la notte e il meccanismo corrispondente è stato semplicemente chiarito secondo la teoria del potenziale chimico. Il metodo di trattamento della fibra di carbonio apre una nuova strada per l’utilizzo commerciale della fibra di carbonio nella purificazione dell’acqua assistita dall’energia solare.

Le sfide legate alla scarsità di energia e acqua pulita, soprattutto nelle aree remote, stanno diventando un problema sempre più serio e influenzerebbero gravemente lo sviluppo economico e sociale1,2. Attualmente sono state proposte molte tecnologie per risolvere questi problemi3,4,5, ad esempio i sistemi inversi6,7, il flash multistadio8,9, il trattamento adsorbito10, la raccolta di minuscole nebbie2,11,12 e l'evaporazione assistita solare con interfaccia13,14, tra quale l'evaporazione solare assistita è considerata una strategia promettente per affrontare la scarsità di acqua dolce trattando l'acqua di mare grazie al suo funzionamento economico e semplice, alle fonti di energia rinnovabile, alla sostenibilità e al rispetto dell'ambiente15,16. Il più grande vantaggio dell'evaporazione interfacciale è l'elevata efficienza di utilizzo dell'energia solare, attribuita alla sua eccellente gestione energetica sopprimendo notevolmente la perdita di calore nell'acqua in massa attraverso la schiuma di isolamento termico tra l'acqua in massa e l'interfaccia di lavoro, e una buona gestione dell'acqua consentita dalle proprietà idrofile del foto- materiali di conversione termica13,17,18,19. Di conseguenza, vi è un gran numero di scienziati impegnati nella ricerca sul campo correlata e molti tipi di materiali di conversione fototermica sono stati sviluppati con successo20,21. Tuttavia, i materiali più segnalati presentano svantaggi quali la suscettibilità alla contaminazione salina, processi di preparazione complessi e difficoltà di scalabilità, che ostacolano seriamente il progresso delle applicazioni pratiche. Pertanto, la progettazione e la fabbricazione di un materiale fototermico con facile scalabilità, resistenza al sale, stabilità a lungo termine e utilizzo multifunzionale sul campo è urgente e importante per lo sviluppo dell’evaporazione assistita dal sole.

Esistono molti materiali candidati per l'evaporazione assistita da energia solare e molti di essi hanno grandi prospettive promettenti per l'applicazione pratica, come i materiali plasmonici22,23, i semiconduttori24,25, i materiali a base di carbonio26,27,28 e i polimeri2,21,29,30 . Inoltre, sono state introdotte alcune nuove tecnologie avanzate nel campo della generazione di vapore solare per migliorare l'efficienza dell'evaporazione dell'acqua31,32,33,34,35, come la tecnologia di deposizione di strati atomici (ALD)31, la tecnologia di fabbricazione dei materiali Janus30,32,33,36 , tecnologia sinergica di vapore piezoelettrico e solare35,37 e tecnologia sinergica di generazione di vapore fotovoltaico e solare23,38. Per quanto riguarda i materiali di conversione fototermica, i materiali in carbonio hanno attirato grande interesse in virtù della loro eccellente stabilità chimica, stabilità termica, assorbimento a banda larga della luce solare e ampie fonti naturali e di beni industriali13,39,40,41. La fibra di carbonio (CF) come prodotto commerciale con prestazioni "leggere e resistenti" è ampiamente utilizzata nei materiali compositi avanzati (applicazioni aerospaziali, militari, sportive, automobilistiche e altre) grazie alle sue eccellenti proprietà, tra cui bassa densità, eccezionali proprietà meccaniche, resistenza alla corrosione, resistenza allo scorrimento viscoso, stabilità chimica, buona conduttività termica e assorbimento della luce solare particolarmente buono42,43,44,45. Nonostante i tanti meriti della CF, la sua idrofilicità della superficie è troppo scarsa per essere utilizzata direttamente per l'evaporazione assistita dal sole a causa dell'assenza di gruppi funzionali polari46. Sono stati fatti molti sforzi per migliorare la capacità idrofila della fibra di carbonio per l'evaporazione del vapore acqueo, compreso il trattamento dell'acido nitrico47, trattamenti al plasma48, metodo idrotermale46, rivestito con grafene49. Sebbene queste tecnologie abbiano buoni risultati, i metodi di produzione dei materiali sono troppo complessi e costosi per essere ampiamente utilizzati. Pertanto, è significativo sfruttare un nuovo metodo per migliorare l’idrofilicità del CF e l’utilizzo della purificazione dell’acqua assistita dall’energia solare.