ChemSusChem:Cu2ZnSnS4基水凝胶增强光热蒸发实现高效海水淡化和水质净化

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吉林建筑大学苑宝玲教授和华侨大学付明来教授合作,采用聚丙烯酰胺为多孔水凝胶骨架,低带隙Cu2ZnSnS4为光热材料,成功制备兼具良好抗盐和抗菌性能的多孔Cu2ZnSnS4基光热水凝胶器件。



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由于人口增长、工业发展及环境污染,水资源短缺已成为世界各地的一个普遍问题。基于用之不竭的太阳光能开发的界面光热水蒸发技术被认为是获取淡水最有前途的方式之一。目前,界面光热水蒸发技术的研究重点大都集中在如何提高光热材料的抗盐性能以及去除目标水体中无机离子和有机污染物,净化水质中微生物的存在情况还需进一步探究。在实际海水淡化和水质净化过程中,水中微生物会在光蒸发装置上堆积并繁殖,导致内部孔洞结构被严重堵塞,最终降低光蒸发装置的光热转换效率。


鉴于此,吉林建筑大学苑宝玲教授与华侨大学付明来教授合作,采用发泡交联聚合的方法成功制备兼具良好抗盐和抗菌性能的多孔Cu2ZnSnS4基光热水凝胶器件(CZTS-PH),其在一个光照强度下实现了3.249 kg m-2 h-1的水蒸发效率。通过SEM、XRD以及FTIR等系列表征手段验证了Cu2ZnSnS4均匀负载在骨架结构上,CZTS-PH具有良好的机械性能,在最大应变为50%的条件下,通过1000次的循环压缩,其应力-应变曲线没有明显变化,凝胶的应力仅仅减少了7.0%;CZTS-PH在全光谱范围内具有95.87%的光吸收率。对CZTS-PH进行厚度调控时发现,不同厚度下的水蒸发率均超过理论极限值(1.47 kg m-2 h-1),这归因于CZTS-PH聚合物网络中含有大量活化水分子,这种水分子的蒸发焓比正常水的水蒸发焓更低,因此CZTS-PH中的水在进行水蒸发时会消耗更少的能量。本工作不仅探究了CZTS-PH对实际海水的淡化效果,还探究了CZTS-PH的抗菌效果。本研究从当地两条河流中采取实际污水样品探究CZTS-PH在处理实际水体时的抗菌性能。经CZTS-PH处理后的冷凝水在固体营养琼脂培养基上培养后没有发现菌落存在。CZTS-PH能够取得如此优异的抗菌性能归因于CZTS-PH骨架上含有大量氨基官能团,其带正电的CZTS-PH会与带负电的细菌产生静电作用,导致CZTS-PH的氨基官能团与细菌细胞膜上的磷脂基团结合,以此来破坏细胞膜结构,最终实现优异的抗菌性能。

文信息

A salt-resistant and antibacterial Cu2ZnSnS4-based hydrogel for high efficiently photothermal distillation in seawater desalination and sewage purification

Pan Liu, Lei Xu, Zhen-Yu Wang, Yang Huo, Yi-bo Hu, Ming-Lai Fu*, Baoling Yuan*

文章的第一作者是华侨大学的硕士研究生刘攀。


ChemSusChem

DOI: 10.1002/cssc.202300611




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