Fibre de carbone recouverte de nanofeuille de cellulose de quinoa avec un sel écaillé exceptionnel

Jul 29, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 8777 (2022) Citer cet article

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À ce jour, diverses technologies d’évaporation solaire ont été développées pour le traitement de l’eau de mer et des eaux usées, mais avec la menace d’une pollution salée et d’un traitement unique de l’eau de mer. Ici, nous développons un évaporateur multifonctionnel construit en fibre de carbone recouverte de nanofeuilles de cellulose de quinoa (CFQC) avec des performances autonettoyantes exceptionnelles et de bonnes propriétés de purification pour le traitement de l'eau polluée par des matières organiques et des antibiotiques. Le Zn-CFQC résultant présente de bonnes performances lumière-thermique, capables d'absorber environ 86,95 % des lumières dans la plage UV-Vis-NIR (200-2 500 nm) ; par conséquent, les températures de surface humide et sèche du Zn-CFQC sont maintenues respectivement à 62,1 et 124,3 °C et conservent une vitesse de 3,2 kg m−2 h−1 pour l'eau s'évaporant sous un éclairage de 1 000 W m−2. De telles bonnes capacités lumière-thermique peuvent être principalement imputées aux microstructures de surface uniques de la fibre de carbone, décorées par de la cellulose bidimensionnelle et activées par du ZnCl2. De plus, le Zn-CFQC présente une bonne capacité de nettoyage automatique du sel la nuit et le mécanisme correspondant a été simplement élucidé selon la théorie du potentiel chimique. La méthode de traitement de la fibre de carbone ouvre une nouvelle voie pour l’utilisation commerciale de la fibre de carbone pour la purification de l’eau à l’aide de l’énergie solaire.

Les défis liés à la pénurie d'énergie et d'eau potable, en particulier dans les zones reculées, deviennent un problème de plus en plus grave et pourraient avoir de graves conséquences sur le développement économique et social1,2. Actuellement, de nombreuses technologies ont été proposées pour résoudre ces problèmes3,4,5, par exemple les systèmes inversés6,7, le flash à plusieurs étages8,9, le traitement adsorbé10, la collecte de brouillard minuscule2,11,12 et l'évaporation assistée par l'énergie solaire d'interface13,14, parmi L'évaporation assistée par l'énergie solaire est considérée comme une stratégie prometteuse pour remédier à la pénurie d'eau douce en traitant l'eau de mer en raison de son fonctionnement économique et facile, de ses sources d'énergie renouvelables, de sa durabilité et de son respect de l'environnement15,16. Le plus grand avantage de l'évaporation interfaciale est l'efficacité élevée de l'utilisation de l'énergie solaire, attribuée à son excellente gestion de l'énergie en supprimant remarquablement les pertes de chaleur dans l'eau en vrac via la mousse d'isolation thermique entre l'eau en vrac et l'interface de travail, et à une bonne gestion de l'eau permise par les propriétés hydrophiles de la photo- matériaux de conversion thermique13,17,18,19. En conséquence, un grand nombre de scientifiques sont engagés dans des recherches sur le terrain et de nombreux types de matériaux de conversion photothermique ont été développés avec succès20,21. Cependant, les matériaux les plus signalés souffrent d'inconvénients tels que la susceptibilité à la contamination par le sel, les processus de préparation complexes et la difficulté de mise à l'échelle, qui entravent sérieusement le progrès des applications pratiques. Par conséquent, la conception et la fabrication d’un matériau photothermique facile à mettre à l’échelle, résistant au sel, stable à long terme et utilisé sur le terrain multifonctionnel est urgent et important pour le développement de l’évaporation assistée par l’énergie solaire.

Il existe de nombreux matériaux candidats pour l'évaporation assistée par l'énergie solaire et beaucoup d'entre eux ont des perspectives d'application pratique très prometteuses, tels que les matériaux plasmoniques22,23, les semi-conducteurs24,25, les matériaux à base de carbone26,27,28 et les polymères2,21,29,30. . De plus, de nouvelles technologies avancées ont été introduites dans le domaine de la production de vapeur solaire pour améliorer l'efficacité de l'évaporation de l'eau31,32,33,34,35, telles que la technologie de dépôt de couche atomique (ALD)31 et la technologie de fabrication de matériaux Janus30,32,33,36. , la technologie synergique de vapeur piézoélectrique et solaire35,37 et la technologie synergique de production de vapeur photovoltaïque et solaire23,38. Pour les matériaux de conversion photothermique, les matériaux carbonés ont largement suscité un intérêt en raison de leur excellente stabilité chimique, de leur stabilité thermique, de leur absorption à large bande des lampes solaires et de leurs nombreuses sources naturelles et industrielles13,39,40,41. La fibre de carbone (CF), en tant que produit commercial doté des performances « légères et résistantes », est largement utilisée dans les matériaux composites avancés (applications aérospatiales, militaires, sportives, automobiles et autres) en raison de ses excellentes propriétés, notamment sa faible densité et ses propriétés mécaniques exceptionnelles. résistance à la corrosion, résistance au fluage, stabilité chimique, bonne conductivité thermique et adsorption particulièrement bonne de la lumière du soleil42,43,44,45. Malgré tant de mérites du CF, son hydrophilie de surface est trop faible pour être directement utilisée pour l'évaporation assistée par l'énergie solaire en raison de l'absence de groupes fonctionnels polaires 46. De nombreux efforts ont été déployés pour améliorer la capacité hydrophile de la fibre de carbone pour l’évaporation de la vapeur d’eau, notamment le traitement à l’acide nitrique47, les traitements au plasma48, la méthode hydrothermale46, l’enrobage de graphène49. Bien que ces technologies donnent de bons résultats, les méthodes de fabrication des matériaux sont trop complexes et coûteuses pour être largement utilisées. Par conséquent, il est important d’exploiter une nouvelle méthode pour améliorer le caractère hydrophile du CF et utiliser la purification de l’eau assistée par l’énergie solaire.