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          可精確調控孔徑的大面積氮摻雜多孔碳基薄膜制備技術

          發表日期:2019-01-07 09:02文章編輯:國初科技瀏覽次數: 標簽:    

                 據X-MOL資訊網2019年1月3日訊 隨著人口快速增長以及農業與工業的不斷發展,再加上人類的不合理利用,地球上可直接利用的淡水資源越來越匱乏,因此人們希望通過海水淡化、污水清潔處理來解決這一問題。利用可再生清潔能源——太陽能,通過光熱轉化進行太陽能驅動的水蒸發,是實現海水淡化的有效途徑之一。然而,現有太陽能驅動水蒸發產生清潔水的速率十分有限。將該技術邁向實用的關鍵技術是研發低成本、高效、穩定的光熱轉化水蒸發材料。
            氮摻雜碳材料由于其極強的光吸收能力、低成本、較大的比表面積、超強的抗氧化性能以及可調控的孔結構等特點,是一種理想的太陽能海水淡化材料。目前,將粉末碳材料與聚合物粘合劑混合包覆在疏水的基地上是制備界面光熱轉化碳基薄膜的成熟工藝。但是,這一工藝不但非常耗時,并且由于其缺乏理想的水傳輸的孔通道結構,造成海水蒸發速率比較低。因此,研發具有連續孔結構的疏水碳薄膜材料是解決這一問題的出發點。
            鑒于此,南開大學化學學院王鴻研究員課題組在前期工作的基礎上(Nat. Commun., 2017, 8, 13592; Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 7847; ACS Nano, 2017, 11, 4358; Angew. Chem. Int. Ed, 2018, 57, 12360),通過對聚離子液體的結構調控首先合成了一系列不同孔徑的聚電解質多孔膜。

           

          可精確調控孔徑的大面積氮摻雜多孔碳基薄膜制備技術

          圖1.不同孔徑的聚電解質多孔膜


            進一步地,通過真空碳化技術,制備了孔徑可精確調控的大面積氮摻雜多孔碳基薄膜。

           

          可精確調控孔徑的大面積氮摻雜多孔碳基薄膜制備技術

          圖2.一步真空碳化制備大面積雜原子摻雜多孔碳膜


            上由于多孔碳膜材料表面較強的疏水性,它可以直接漂浮于水和空氣的界面進行太陽能驅動的界面海水淡化。其大孔、介孔、微孔組成的多級孔結構可以有效的作為水傳輸通道加速海水蒸發速率。在優化的條件下,可實現1.01 kg m-2 h-1 的水蒸發速率,相應的太陽能效應利用效率為74.69%。

           

          可精確調控孔徑的大面積氮摻雜多孔碳基薄膜制備技術

          圖3.海水碳化裝置及多孔碳膜的數碼照片


            此外,氮原子摻雜的碳膜材料有著非常高的抗化學腐蝕性和氧化性,展現出很大的應用的潛力。

           

          可精確調控孔徑的大面積氮摻雜多孔碳基薄膜制備技術

          圖4.抗氧化性能測試


            該研究成果發表在ACS Nano 上(All-Poly(ionic liquid) Membrane-Derived Porous Carbon Membranes: Scalable Synthesis and Application for Photothermal Conversion in Seawater Desalination; ACS Nano, 2018, 12, 11704–11710, DOI: 10.1021/acsnano.8b07526,該論文作者為:Yue Shao, Zhiping Jiang, Yunjing Zhang, Tongzhou Wang, Peng Zhao, Zhe Zhang, Jiayin Yuan, Hong Wang)。
            王鴻研究員簡介

           

          可精確調控孔徑的大面積氮摻雜多孔碳基薄膜制備技術


            王鴻,南開大學化學學院特聘研究員,博士研究生導師。2013年博士畢業于復旦大學先進材料實驗室,曾先后在香港科技大學、阿卜杜拉國王科技大學、德國馬普膠體與界面研究所和加拿大多倫多大學做訪問學者和博士后研究,2017年加入南開大學化學學院。
            王鴻研究員圍繞著聚離子液體功能材料展開研究,在納米凝膠、固體電解質、多孔碳膜等方面開展了一系列研究工作,取得了一系列創新性的研究成果,合計發表SCI論文40余篇,共被他人引用2300余次。第一作者和通訊作者論文12篇,如Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.(2篇)、Adv. Mater.(2篇)、ACS Nano(2篇)等。相關工作數十次被國內外同行專家在Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev. 和Adv. Mater. 等國際核心雜志的綜述文章中予以介紹和評述,多次被國外科技媒體如Nature Middle East專題報道。申請國際專利1項,授權中國專利5項。所創建的離子液體共聚改性滌綸制備高性能聚酯的方法已成功的應用于工業生產,取得顯著經濟和社會效益。

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