聚乙烯醇载银海绵的制备及界面光热驱动水蒸发性能

doi:10.7503/cjcu20220181

摘要/Abstract

摘要：

利用光热材料的太阳能水蒸发技术是一种绿色、环保地解决淡水资源短缺的重要技术, 但光热材料的制备成本、蒸发效率和热损失等因素限制了其推广应用. 本文采用一锅法制备了聚乙烯醇载银海绵(AgNPs/PVA)太阳能界面蒸发器, 并研究了AgNPs含量对AgNPs/PVA在太阳能驱动水蒸发过程中光热性能的影响. 研究结果表明, 当AgNPs的质量为PVA的10%时, 制备的AgNPs/PVA在1 kW/m ²的太阳光强度下具有最优的蒸发速率, 水蒸发速率可达1.62 kg?m ^?2?h ^?1, 为纯水(0.42 kg?m ^?2?h ^?1)的3.9倍. 本文制备的AgNPs/PVA具有制备工艺简单、亲水性能优良和蒸发性能良好的特点, 在太阳能驱动水蒸发领域具有较大的应用前景.

关键词: 一锅法, 聚乙烯醇载银海绵, 银纳米颗粒, 亲水性, 界面光热驱动水蒸发

Abstract:

The utilization of photothermal materials to evaporate water under solar energy is a critical green and environmental protection technology for addressing the scarcity of freshwater resources， but its popularity and application are limited by factors such as preparation cost， evaporation efficiency， and heat loss of photothermal materials. Here， silver nanoparticles loaded polyvinyl alcohol sponge（AgNPs/PVA） solar interface evaporator was prepared by one-pot method， and the effect of AgNPs content on the photothermal performance of AgNPs/PVA in solar-driven water evaporation was investigated. The synthesized AgNPs/PVA exhibited the optimum evaporation rate under 1 kW/m ² sunlight intensity when the mass of AgNPs was 10% that of PVA， according to the results. Water may evaporate at a rate of 1.62 kg?m ^?2?h ^?1， which is 3.9 times that of pure water（0.42 kg?m ^?2?h ^?1）. The prepared AgNPs/PVA showed potential application in the field of solar driven-water evaporation due to the simple preparation process， outstanding hydrophilicity and strong evaporation performance.

Key words: One-pot method, Silver-loaded polyvinyl alcohol sponge, Silver nanoparticles, Hydrophilicity, Interfacial photothermal driven water evaporation

中图分类号:

O631.2

TrendMD:

杨兆华, 成鸿静, 杨弋, 刘辉, 杜飞鹏, 张云飞. 聚乙烯醇载银海绵的制备及界面光热驱动水蒸发性能. 高等学校化学学报, 2022, 43(10): 20220181.

YANG Zhaohua, CHENG Hongjing, YANG Yi, LIU Hui, DU Feipeng, ZHANG Yunfei. Preparation of Silver-loaded Polyvinyl Alcohol Sponge and Its Interfacial Photothermal Driven Water Evaporation Performance. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(10): 20220181.

图/表 6

Fig.1 FESEM images of PVA sponge(A, B) and AgNPs/PVA sponge(C—G) with different magnifications and EDS energy spectrum of AgNPs/PVA sample(H, I)

Fig.2 Nitrogen adsorption?desorption isotherms of AgNPs/PVA(A) and FTIR spectra of PVA and AgNPs/PVA(B)

Fig.3 Time?lapse photo of AgNPs/PVA rapidly absorbing water droplet falling on its surface at 0 s(A), 12?s(B) and 23 s(C)

Fig.4 Photothermal water evaporation properties for the AgNPs/PVA samples（A） Evaporated water-time diagram；（B） the evaporation rates and the corresponding efficiency of pure water and the AgNPs/PVA-containing water. a. Pure water; b. AgNPs/PVA-5; c. AgNPs/PVA-7.5; d. AgNPs/PVA-10; e. AgNPs/PVA-12.5; f. AgNPs/PVA-15.

Fig.5 Surface temperature of the AgNPs/PVA?10 detected by an infrared camera under solar irradiation of 1 kW/m 3 after 0(A), 30(B) and 60 min(C) and surface temperature of AgNPs/PVA?10 and pure water as a function of solar irradiation time(D)

Fig.6 Evaporation rate of the recycled AgNPs/PVA?10 under solar irradiation of 1 kW/m 3(A) and TG curves of PVA and AgNPs/PVA?10(B)Inset of （B）： partial magnification graphs.

参考文献 30

1	Elimelech M.， Phillip W. A.， Science， 2011， 333， 712—717
2	Voeroesmarty C. J.， McIntyre P. B.， Gessner M. O.， Dudgeon D.， Prusevich A.， Green P.， Glidden S.， Bunn S. E.， Sullivan C. A.， Liermann C. R.， Davies P. M.， Nature， 2010， 467， 555—561
3	Sajjadi M.， Ahmadpoor F.， Nasrollahzadeh M.， Ghafuri H.， Int. J. Biol. Macromol.， 2021， 178， 394—423
4	Zhu L.， Gao M.， Peh C. K. N.， Ho G. W.， Nano Energy， 2019， 57， 507—518
5	Lei Z.， Sun X.， Zhu S.， Dong K.； Liu X.， Wang L.， Zhang X.， Qu L.， Zhang X.， Nano⁃Micro Letters， 2022， 14， 10—26
6	Liang P. P.， Liu S.， Li H. Y.， Ding Y. D.， Wen X. K.， Liu J. P.， Hong X.， Chem. J. Chinese Universities， 2021， 42（8）， 2689—2693
	梁平平，刘帅，李红艺，丁亚丹，温晓琨，刘俊平，洪霞. 高等学校化学学报， 2021， 42（8）， 2689—2693
7	Menon A. K.， Haechler I.， Kaur S.， Lubner S.， Prasher R. S.， Nat. Sustain.， 2020， 3， 144—175
8	Shi M.， Tang C.， Yang X.， Zhou J.， Jia F.， Han Y.， Li Z.， RSC Adv.， 2017， 7， 4039—4045
9	Liu J.， Chen X.， Yang H.， Tang J.， Miao R.， Liu K.， Fang Y.， Mater. Chem. Front.， 2021， 5， 1953—1961
10	Bae K.， Kang G.， Cho S. K.， Park W.， Kim K.， Padilla W. J.， Nat. Commun.， 2015， 6， 10103—10112
11	Su L. F.， Chang Z. P.， Ning Y. Y.， Wang L.， Fang Y. H.， Fang B. H.， Ke Y. C.， Yang B.， Xia R.， Qian J. S.， Miao L.， Materials Reports， 2021， 35， 18024—18029
	苏丽芬，常展鹏，宁玉盈，汪路，方雅涵，方炳虎，柯玉超，杨斌，夏茹，钱家盛，苗蕾. 材料导报， 2021， 35， 18024—18029
12	Chen J.， Wang D.， Li X.， Sun H.， Zhao H.， Li Y.， Liu X.， Shi G.， ACS Appl. Polym. Mater.， 2021， 3， 2402—2410
13	Chen R.， Wang X.， Gan Q. M.， Zhang T. Q.， Zhu K. H.， Ye M. M.， J. Mater. Chem. A， 2019， 7， 11177—11185
14	Wang Y. D.， Wu X.， Wu P.， Zhao J. Y.， Yang X. F.， Owens G.， Xu H. L.， Sci. Bull.， 2021， 66， 2479—2488
15	Wu Y. T.， Kong R.， Ma C. L.， Li L. Z.， Zheng Y.， Lu Y. Z.， Liang L. L.， Pang Y. J.， Wu Q.， Shen Z. H.， Chen H.， Energy Environ. Mater.， 2022， 2， 361—669
16	Chen Z. C.， Luo Y. T.， Li Q.， Chen X. M.， ACS Appl. Mater. Inter.， 2021， 13， 40531—40542
17	Wu X.， Wang Y. D.， Wu P.， Zhao J. Y.， Lu Y.， Yang X. F.， Xu H. L.， Adv. Funct. Mater.， 2021， 3， 2102618—2102629
18	Noureen L.， Xie， Z.， Gao Y.， Li M.， Hussain M.， Wang K.， Zhang L.， Zhu J.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2020， 12， 6343—6350
19	Li Z.， Wang C.， Chinese Chem. Lett.， 2020， 31， 2159—2166
20	Huang J.， He Y. R.， Wang L.， Huang Y. M.， Jiang B. C.， Energ. Convers. Manage.， 2017， 132， 452—459
21	Beyene H. D.， Werkneh A. A.， Bezabh H. K.， Ambaye T. G.， Sustain. Mater. Tech.， 2017， 13， 18—23
22	Chen M.， He Y.， Zhu J.， Shuai Y.， Jiang B.， Huang Y.， Sol. Energy， 2015， 115， 85—94
23	Kuilla T.， Bhadra S.， Yao D.， Kim N. H.， Bose S.， Lee J. H.， Prog. Polym. Sci.， 2010， 35， 1350—1375
24	Gao X.， Lan H.， Li S.， Lu X.， Zeng M.， Gao X.， Wang Q.， Zhou G.， Liu J.， Global Challenges， 2018， 2. 1800035—1800041
25	Guo M. M.， Zhang Y.， Du F.， Wu Y.， Zhang Q.， Jiang C.， Mater. Chem. Phy.， 2019， 225， 42—49
26	Tao Y. L.， Li S.， Zhao S.， Li D. W.， Wu Y. N.， Liang Z. Q.， Cheng H.， Ind. Eng. Chem. Res.， 2021， 60， 10033—10043
27	Lu G. X.， Liu Q. W.， Kong X. Y.， Cong L. L.， Song Y.， Zhao Q.， Yang Q. B.， Le Y. X.， Chem. J. Chinese Universities， 2017， 38（8）， 1465—1469
	鲁冠秀，刘庆文，孔祥怡，丛乐乐，宋岩，赵晴，杨清彪，李耀先. 高等学校化学学报， 2017， 38（8）， 1465—1469
28	Lu Y.， Fan D. Q.， Wang Y. D.， Xu H. L.， Lu C. H.， Yang X. F.， ACS Nano， 2021， 15， 10366—10376
29	Li X.， Ni G.， Cooper T.， Xu N.， Li J.， Zhou L.， Hu X.， Zhu， B.， Yao P.， Zhu J.， Joule， 2019， 3， 1798—1803
30	Chang Y. I.， Chen J. W.， Cheng W. Y.， Jang L.， Sep. Purif. Technol.， 2018， 198， 100—107

[1]	罗磊, 穆晓清, 吴涛, 聂尧, 徐岩. 一锅法合成去甲基麻黄素[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2458.
[2]	匡小军, 伊京伟, 方晓霞, 赖东梅, 徐宏. 水溶性香豆素荧光底物的制备及在液滴数字式检测中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(11): 3537.
[3]	王勇, 董彪, 孙娇, 董德录, 孙连坤. 基于分子筛模板的银/硅铝无定形结构复合材料的合成及光谱性质[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(10): 3233.
[4]	张俊, 王彬, 潘莉, 马哲, 李悦生. 含咪唑离子聚乙烯离聚体的合成与性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(9): 2070.
[5]	曹锰, 柳阳, 张尚玺, 王振希, 徐胜. 壳聚糖钴配合物的合成及光催化产氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(4): 735.
[6]	刘丛远, 刘佳, 杜佩瑶, 张振, 卢小泉. 亲水性FePt纳米颗粒协同催化有机污染物的降解[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(4): 697.
[7]	叶龙强,康硕,张伟豪,张雨露,惠贞贞,江波. 溶胶-凝胶法制备SiO₂/SiO₂-TiO₂双层防雾增透膜[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(11): 2274.
[8]	钱艺豪, 张东杰, 成中军, 康红军, 刘宇艳. 亲水性形状记忆环氧树脂制备及表面浸润性调控[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(8): 1823.
[9]	崔思乾, 卢俊瑞, 谢志强, 卢博为, 刘金彪, 刘梅, 马瑶, 胡新龙, 李贾东. 吡唑并[2,3-c]吡喃酮衍生物的一锅法熔融合成[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(4): 688.
[10]	张金, 史天彩, 罗力文, 刘佳, 刘荣, 刘乐, 梁明, 马养民. 纳米氧化铜催化一锅法合成β-咔啉类化合物[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(11): 2411.
[11]	刘豫龙, 路芳, 路萍. 基于芘并咪唑的电致发光材料的合成与表征[J]. 高等学校化学学报, 2017, 38(4): 583.
[12]	张金, 刘佳, 马养民, 杨秀芳, 程佩, 范超, 卢萍. 纳米TiO₂催化一锅法合成喹唑啉酮并酞嗪酮及3-酰胺基异吲哚酮并喹唑啉酮类化合物[J]. 高等学校化学学报, 2016, 37(9): 1629.
[13]	彭艺芳, 王承健, 王晶晶, 李玲梅, 晋万军, 强珊, 师红丹, 张英, 黄琳娟, 王仲孚. 花生致敏糖蛋白Ara h1糖链决定簇的质谱分析[J]. 高等学校化学学报, 2016, 37(9): 1622.
[14]	吴波, 郑帼, 刘旭钊, 孙玉, 刘会兵, 朱佳文. 高亲水性环氧树脂的制备及对碳纤维的表面处理[J]. 高等学校化学学报, 2016, 37(10): 1891.
[15]	刘楠, 武永刚, 白利斌, 王园, 黄海潮, 赵洪池, 巴信武. 一锅法制备pH响应性聚丙烯酰基乙二胺盐酸盐-卟啉/芴荧光聚合物[J]. 高等学校化学学报, 2014, 35(5): 1111.