スケール塩自己に優れたキヌアセルロースナノシートでコーティングされた炭素繊維

Jul 29, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 8777 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

現在までに、海水や廃水の処理のためにさまざまな太陽光発電による蒸発技術が開発されてきましたが、塩分汚染や海水の単独処理の脅威がありました。 本研究では、炭素繊維にキヌアセルロースナノシート（CFQC）をコーティングした多機能蒸発器を開発し、有機物や抗生物質による汚染水の処理に優れた自己洗浄性能と優れた浄化特性を備えています。 得られた Zn-CFQC は、UV-Vis-NIR (200-2500 nm) の範囲で約 86.95% の光を吸収できる優れた光対熱性能を示します。 したがって、Zn-CFQCの湿潤表面温度と乾燥表面温度はそれぞれ62.1℃と124.3℃に維持され、1000W m-2の照明下で水が蒸発する速度は3.2kg m-2 h-1に保たれます。 このような優れた光対熱能力は、主に、二次元セルロースによって装飾され、ZnCl2 によって活性化された炭素繊維の独特な表面微細構造によるものと考えられます。 さらに、Zn-CFQC は夜間に良好な塩自動洗浄能力を示し、対応するメカニズムは化学ポテンシャル理論に従って簡単に解明されました。 この炭素繊維の処理方法は、太陽光発電による浄水における炭素繊維の商業利用に新たな道を切り開きます。

エネルギーときれいな水の不足という課題は、特に遠隔地においてますます深刻な問題となっており、経済と社会の発展に深刻な影響を与える可能性があります1,2。 現在、これらの問題を解決するために多くの技術が提案されています3、4、5。たとえば、リバースシステム6、7、多段階フラッシュ8、9、吸着処理10、微小霧収集2、11、12、およびインターフェース太陽光補助蒸発13、14などです。この太陽光補助蒸発は、経済的で操作が簡単で、再生可能エネルギー源、持続可能性、環境に優しいことから、海水を処理することで淡水不足に対処する有望な戦略とみなされています15,16。 界面蒸発の最大の利点は、バルク水と作業界面の間の断熱フォームを介してバルク水への熱損失を大幅に抑制することによる優れたエネルギー管理と、光蒸着の親水性による優れた水管理による高い太陽エネルギー利用効率にあります。熱変換材料13、17、18、19。 その結果、多数の科学者が関連分野の研究に従事し、多くの種類の光熱変換材料の開発に成功しています20,21。 しかし、最も多く報告されている材料は、塩類汚染の影響を受けやすい、調製プロセスが複雑、スケールアップが難しいなどの欠点を抱えており、実用化の進展を大きく妨げています。 したがって、スケールアップが容易で、耐塩性があり、長期安定性があり、多機能な分野で利用できる光熱材料の設計と作製は、太陽光支援蒸着の開発にとって緊急かつ重要である。

太陽光補助蒸着には多くの候補材料があり、プラズモニック材料 22、23、半導体 24、25、炭素系材料 26、27、28、ポリマー 2、21、29、30 など、その多くは実用化に大きな有望な見通しを持っています。 。 さらに、原子層堆積（ALD）31技術、Janus材料製造技術30、32、33、36など、水の蒸発効率を高めるために、いくつかの新しい高度な技術が太陽蒸気発生分野に導入されています31、32、33、34、35。 、圧電と太陽蒸気の相乗技術35,37、太陽光発電と太陽蒸気生成の相乗技術23,38。 光熱変換材料として、炭素材料は、その優れた化学的安定性、熱安定性、太陽光の広帯域吸収、および自然および工業製品からの広範な供給源のおかげで、大きな関心を集めている13,39,40,41。 「軽くて強い」という性能を備えた製品としての炭素繊維（CF）は、その低密度、優れた機械的特性、耐食性、耐クリープ性、化学的安定性、良好な熱伝導性、そして特に優れた太陽光の吸収性42、43、44、45。 CF には多くの利点があるにもかかわらず、その表面の親水性は極性官能基がないため、太陽光補助蒸着に直接利用するには親水性が低すぎます 46。 水蒸気蒸発のための炭素繊維の親水性を向上させるために、硝酸処理 47、プラズマ処理 48、グラフェンでコーティングされた水熱法 46 など、多くの努力がなされてきました 49。 これらの技術は良好な結果をもたらしていますが、材料の製造方法は複雑すぎて高価すぎるため、広く利用することはできません。 したがって、CFの親水性を改善するための新しい方法や太陽光発電による水浄化の利用は重要です。