Süßwassermangel stellt eine zunehmend ernste Herausforderung für die soziale Entwicklung dar. Berichten zufolge haben 29 % der Weltbevölkerung keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser, und der Bedarf an sauberem Wasser steigt aufgrund von Bevölkerungswachstum und Umweltproblemen weiter an. Angesichts der aktuellen Coronavirus-Pandemie (Neocoronavirus-Pneumonie) ist sauberes Wasser in Verbindung mit sanitären Einrichtungen besonders wichtig. Die solarbetriebene Wasserverdampfung gilt als eine der vielversprechendsten Technologien zur Erzeugung von sauberem Wasser aus Meer- und Abwasser, wobei Sonnenlicht als einziger Energieträger genutzt wird. Die Technologie basiert in hohem Maße auf Solarabsorbern, die als Verdampfer Sonnenenergie in Wärme umwandeln und so Dampf erzeugen. Um hohe Wasserverdampfungsraten und Wirkungsgrade bei der Umwandlung von Solarwärme zu erreichen, sollte das ideale Material ein breites Absorptionsspektrum aufweisen, um einen großen Teil des Sonnenspektrums effizient zu nutzen, eine geringe Wärmeleitfähigkeit zur Vermeidung von Wärmeverlusten und dreidimensionale (3D) poröse Kanäle für einen effizienten Wassertransport. Bisher haben Wissenschaftler verschiedene photothermische Materialien auf der Basis von Kohlenstoff (z. B. Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren), Polymeren, Metallen und Metalloxiden und deren Hybriden usw. entwickelt.
Wissenschaftler haben in den letzten Jahren hart an der Erforschung und Erzielung vieler Durchbrüche gearbeitet. Lassen Sie uns daher aus mehreren aktuellen Veröffentlichungen etwas über die Forschungsfortschritte der letzten Jahre im Bereich der photothermischen Erzeugung von sauberem Wasser erfahren.
- Nature Communications: Pflanzenblätter inspirieren solarbetriebenen, hocheffizienten Wasserreiniger
Die Blätter natürlicher Gefäßpflanzen nutzen Unterschiede im osmotischen Druck, Transpiration und Exkretion, um mithilfe von Sonnenlicht große Mengen an sauberem Wasser zu produzieren. Inspiriert davon, hat die Arbeitsgruppe von Chun Li an der Qinghua-Universität einen sonnenlichtbetriebenen Reiniger zur effizienten Wasseraufbereitung und -produktion entwickelt. Dieser Reiniger besteht aus einem negativ temperaturresponsiven Poly(N-isopropylacrylamid)-Hydrogel (PN), das auf einem superhydrophilen Melaminschaumgerüst verankert und außen mit einer PNIPAm-modifizierten Graphen-(PG)-Filtermembran beschichtet ist. Molekulardynamische Simulationen und experimentelle Ergebnisse zeigten, dass die superhydrophile Natur des relativ starren Melamingerüsts die Quell- und Entquellungsrate des PNPG-F-Reinigers deutlich beschleunigt. Unter gleicher Sonneneinstrahlungsintensität erreichte diese optimierte Struktur eine Ausbeute von 4.2 kg/m²/h und eine Ionenentfernung von über 99 % pro PNPG-F-Reiniger aus einer Solezuführung durch die synergistischen Effekte von Verdunstung und tropfenweiser Zugabe. Die Autoren sehen großes Anwendungspotenzial für dieses hocheffiziente, sonnenlichtbetriebene System in verschiedenen Bereichen der Wasseraufbereitung. Die Studie wurde unter dem Titel „Von Pflanzenblättern inspirierter, sonnenlichtbetriebener Reiniger für die hocheffiziente Reinwasserproduktion“ in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
- Wissenschaftliche Fortschritte: Hochhydratisierbare Polymernetzwerke aus lichtabsorbierenden Hydrogelen für die solare Wasserreinigung
Solare Wasserverdunstung zur Wasseraufbereitung ist eine vielversprechende Technologie für die Süßwasserproduktion. Die Erzeugung von Solardampf ist jedoch energieintensiv, sodass bei natürlichem Tageslicht nur eine geringe Wasserproduktion erzielt wird. Deshalb besteht ein großer Bedarf an der Entwicklung neuer Materialien, die den Energiebedarf für die Wasserverdunstung senken und die solare Wasseraufbereitung beschleunigen können. Die Gruppe von Professor Guihua Yu in Austin (Texas, USA) berichtete über ein stark hydratisiertes, lichtabsorbierendes Hydrogel (h-LAH), das aus Polyvinylalkohol und Chitosan als Hydratisierungsrückgrat und Polypyrrol als Lichtabsorber besteht und weniger Energie (< 50 % des Wasservolumens) zur Verdunstung von Wasser benötigt. Es wurde gezeigt, dass eine Erhöhung der Hydratisierungskapazität von h-LAH den Zustand des Wassers ändern und Wasser teilweise aktivieren kann, wodurch die Wasserverdunstung erleichtert wird. h-LAH steigerte die Solardampfproduktion auf eine Rekordrate von ~3.6 kg/m²/h pro Sonne. Die auf h-LAH basierende solare Wasserverdampfung zeigte zudem eine lange Haltbarkeit und Antifouling-Eigenschaften gegenüber komplexen ionischen Verunreinigungen. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Science Advances“ unter dem Titel „Pflanzenblätter als Inspiration für sonnenlichtbetriebenen Reiniger zur hocheffizienten Produktion von sauberem Wasser“ veröffentlicht.
- Angew: COF-Materialien mit Superhydrophilie und breitwelliger Lichtabsorption für die photothermische Wasserverdampfung
Die inhärente Hydrophobie und die begrenzte Lichtabsorption poröser organischer Polymere, insbesondere im Nahinfrarotbereich (NIR), sind zwei Engpässe, die ihre Anwendung bei der solaren Dampferzeugung (SSG) behindern. Forscher in der Gruppe von Xiaoli Yan an der Jilin-Universität haben ein kovalentes organisches Gerüst (COF) auf Basis von 1,4,5,8-Tetrakis(phenylamino)anthracen-9,10-dion (TPAD) (TPAD-COF) entwickelt, das durch Superhydrophilie und breite Lichtabsorption charakterisiert ist und SSG aus dem gesamten UV-/sichtbaren NIR-Bereich abdeckt. TPAD-COF, ein effizientes photothermisches Umwandlungsmaterial ohne jegliche Zusätze, weist eine ausgezeichnete Wasserverdampfung von 1.42 kg/m2/h auf und erreicht einen hohen Energieumwandlungswirkungsgrad von 94 % bei einer Bestrahlung mit einer Sonnenintensität. Eine weitere Erweiterung des Lichtabsorptionsbereichs von TPAD-basierten COF wurde durch postsynthetische Modifikation von chelatisierten BF2-Molekülen erreicht. Systematische Kontrollexperimente und Analysen bestätigen, dass die Hydrophilie des photothermischen Umwandlungsmaterials bei den aktuell für die photothermische Wasserverdampfung eingesetzten TPAD-basierten COFs eine dominantere Rolle spielt. Die Forschungsarbeit mit dem Titel „Superhydrophilic2D Covalent Organic Frameworks as Broadband Absorbers for Efficient Solar Steam Generation“ wurde in der renommierten internationalen Fachzeitschrift Angewise veröffentlicht. Die Arbeit wurde in der renommierten internationalen Fachzeitschrift Angew. Chem. Int. Ed. veröffentlicht.
- JACS: Hydrophiles-hydrophobes Dual-Region-COF/Graphen-Hydrogel für die photothermische Wasserverdampfung
Solare Wasserverdunstung ist eine nachhaltige Technologie zur Wasseraufbereitung, die zur Linderung der globalen Wasserknappheit beitragen kann. Diese Technologie steht jedoch aufgrund des hohen Energieverbrauchs und der niedrigen Verdunstungsrate vor großen Herausforderungen. Die Gruppe von Prof. Arne Thomas an der Technischen Universität Berlin berichtet über ein Dual-Region-Hydrogel aus kovalentem organischem Gerüst (COF) und Graphen, das durch eine einfache In-situ-Wachstumsstrategie sowohl hydrophile als auch hydrophobe Regionen in einem Material enthält. Das hydrophile COF bedeckt einen Teil der hydrophoben Graphenregion. Durch präzise Steuerung der beiden Benetzungsregionen zeigt das Hybrid-Hydrogel eine effektive Lichtsammlung, einstellbare Benetzbarkeit, einen optimierten Wassergehalt und einen reduzierten Energiebedarf für die Wasserverdunstung. Als Solarabsorber erreicht das Dual-Region-Hydrogel eine Dampferzeugungsrate von bis zu 3.69 kg/m²/h bei 2 Sonneneinstrahlung (1 kW/m²), was mit anderen fortschrittlichen Materialien vergleichbar ist. Darüber hinaus kann dieser Hydrogelverdampfer zur Herstellung von Trinkwasser aus Meerwasser und Abwasser eingesetzt werden und demonstriert damit das Potenzial der Wasseraufbereitung. Die Forschungsarbeit wurde in der Fachzeitschrift JACS unter dem Titel „A Covalent Organic Framework/Graphene Dual-Region Hydrogel for Enhanced Solar-Driven Water Generation“ veröffentlicht, einer international renommierten Fachzeitschrift.
- Wissenschaftliche Fortschritte: Hocheffizienter photothermischer Wasserverdampfer nach dem Vorbild von Seerosenblättern
In den letzten Jahren hat die Erzeugung von Solardampf an Grenzflächen großes Potenzial für hohe Energieumwandlungseffizienzen in der Entsalzung und Abwasserbehandlung gezeigt. Hohe Verdampfungsraten können jedoch aufgrund der scheinbar unvermeidlichen Ansammlung von Fouling oder Salz auf dem Solarabsorber nicht aufrechterhalten werden. Der Abbau beschleunigt sich mit steigender Konzentration gelöster Stoffe. Um dieses Problem zu lösen, hat die Gruppe von Prof. Jia Zhu an der Universität Nanjing, inspiriert von der Struktur von Seerosenblättern, ein mehrstufiges photothermisches Dampfumwandlungsgerät (Water-lily-inspired Hierarchical Structure (WHS)) entwickelt, das bei der Behandlung von 80 Gewichtsprozent hochkonzentriertem Salzwasser und 10 Gewichtsprozent Abwasser eine photothermische Umwandlungseffizienz von 30 % erreichen kann. Es ist erwähnenswert, dass die photothermische Umwandlungseffizienz während der Behandlung von hochkonzentrierter Salzlake und Abwasser nicht signifikant abnimmt, bis die Verdunstung abgeschlossen ist (d. h. „Null-Abfluss“) und die Oberfläche sauber bleibt. Die Arbeit wurde in Science Advance unter dem Titel „A Water-lily-inspired Hierarchical Design for Stable and Efficient Solar Evaporation of High Salinity Brine“ veröffentlicht.
- Nanoenergie: Molybdändisulfid zur photothermischen Wasserverdampfung
Forscher der Arbeitsgruppe von Lifeng Wan am Institut für Grenzmaterialien der Deakin University haben eine Reihe von Übergangsmetalldisulfid- und stickstoffreichen Nitrid-Heterostrukturen für die solare Wasserverdampfung mittels partieller Kristallumwandlung entwickelt. Diese fortschrittlichen 2D-Heterostrukturen zeichnen sich insbesondere durch eine erhöhte spektrale Absorption im Infrarotbereich und eine ausgezeichnete chemische Stabilität in verschiedenen Lösungen, darunter Wasser, Säuren und Basen, aus. Dank der erhöhten spektralen Absorptionsintensität und der reduzierten Wärmeverluste weist die MoS₂-Mo₅N₆/ Melaminschaum (MF)-Solarthermieanlage eine hohe Verdampfungsrate (2.31 kg m⁻² h⁻¹) und einen hohen Wirkungsgrad (106.6 %) auf, die 1.4- bzw. 4.7-mal höher sind als die von MoS₂/MF- bzw. MF/Wasser-Solarthermieanlagen. Diese Arbeit stellt eine Reihe fortschrittlicher 2D-2D-TMD-stickstoffreicher Nitrid-Heterostrukturen mit exzellenter photothermischer Leistung für die solare Wassergewinnung vor. Diese Arbeit wurde in Nano Energy, einer führenden internationalen Fachzeitschrift, unter dem Titel „Fortschrittliche 2D-2D-Heterostrukturen aus Übergangsmetalldichalkogeniden und stickstoffreichen Nitriden zur solaren Wassererzeugung“ veröffentlicht.
Die Technologie der solaren photothermischen Wasserverdampfung soll den weltweiten Mangel an sauberem Wasser lösen. Was jetzt gelöst werden muss, ist die kostengünstige Herstellung photothermischer Materialien, ein hocheffizienter Betrieb sowie die Stabilität und Portabilität der Nutzung in praktischen Anwendungsumgebungen. Wir freuen uns auf weitere Ergebnisse in der Zukunft zum baldigen Nutzen der gesamten Menschheit!
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