Fibra de carbono revestida por nanofolha de celulose de quinoa com excelente sal em escala

Jul 29, 2023

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 8777 (2022) Citar este artigo

1158 acessos

4 citações

7 Altmétrico

Detalhes das métricas

Até à data, foram desenvolvidas várias tecnologias de evaporação alimentadas por energia solar para o tratamento de água do mar e águas residuais, mas com a ameaça da poluição pelo sal e do tratamento único da água do mar. Aqui, desenvolvemos um evaporador multifuncional construído em fibra de carbono revestido por nanofolha de celulose de quinoa (CFQC) com excelente desempenho de autolimpeza e boa propriedade de purificação para tratamento de água poluída com orgânicos e antibióticos. O Zn-CFQC resultante exibe bom desempenho luminoso-térmico que pode absorver cerca de 86,95% de luz na faixa de UV-Vis-NIR (200-2500 nm); portanto, as temperaturas da superfície úmida e seca do Zn-CFQC são mantidas em 62,1 e 124,3 °C, respectivamente, e mantêm uma velocidade de 3,2 kg m-2 h-1 para água evaporando sob iluminação de 1000 W m-2. Essas boas capacidades de luz a térmica podem ser atribuídas principalmente às microestruturas superficiais únicas da fibra de carbono que são decoradas com celulose bidimensional e ativadas por ZnCl2. Além disso, o Zn-CFQC apresenta boa capacidade de limpeza automática do sal à noite e o mecanismo correspondente foi simplesmente elucidado de acordo com a teoria do potencial químico. O método de tratamento de fibra de carbono abre um novo caminho para a utilização comercial de fibra de carbono na purificação de água assistida por energia solar.

Os desafios da escassez de energia e de água limpa, especialmente nas zonas remotas, estão a tornar-se um problema cada vez mais sério e influenciariam gravemente o desenvolvimento económico e da sociedade1,2. Atualmente, muitas tecnologias têm sido propostas para resolver esses problemas3,4,5, por exemplo, sistemas reversos6,7, flash multiestágio8,9, tratamento adsorvido10, coleta de névoa minúscula2,11,12 e interface de evaporação assistida por energia solar13,14, entre cuja evaporação assistida por energia solar é considerada uma estratégia promissora para resolver a escassez de água doce, tratando a água do mar devido à sua operação económica, fácil, fontes de energia renováveis, sustentabilidade e respeito pelo ambiente15,16. A maior vantagem da evaporação interfacial é a alta eficiência de utilização da energia solar, que se atribui ao seu excelente gerenciamento de energia, suprimindo notavelmente a perda de calor para a água a granel por meio de espuma de isolamento térmico entre a água a granel e a interface de trabalho, e um bom gerenciamento de água possibilitado pelas propriedades hidrofílicas da foto- materiais de conversão térmica13,17,18,19. Consequentemente, há um grande número de cientistas envolvidos em pesquisas de campo relacionadas e muitos tipos de materiais de conversão fototérmica foram desenvolvidos com sucesso20,21. No entanto, os materiais mais relatados apresentam desvantagens como suscetibilidade à contaminação por sal, processos de preparação complexos e dificuldade de aumento de escala, o que dificulta seriamente o progresso das aplicações práticas. Portanto, projetar e fabricar um material fototérmico com fácil aumento de escala, resistência ao sal e estabilidade a longo prazo e utilização de campo multifuncional é urgente e importante para o desenvolvimento da evaporação assistida por energia solar.

Existem muitos materiais candidatos para evaporação assistida por energia solar e muitos deles têm grandes perspectivas promissoras para aplicação prática, como materiais plasmônicos22,23, semicondutores24,25, materiais à base de carbono26,27,28 e polímeros2,21,29,30 . Além disso, algumas novas tecnologias avançadas foram introduzidas no campo de geração de vapor solar para aumentar a eficiência da evaporação da água31,32,33,34,35, como a tecnologia de deposição de camada atômica (ALD)31, tecnologia de fabricação de materiais Janus30,32,33,36 , tecnologia sinérgica de vapor piezoelétrico e solar35,37 e tecnologia sinérgica de geração de vapor fotovoltaico e solar23,38. Para materiais de conversão fototérmica, os materiais de carbono têm atraído grande interesse em virtude de sua excelente estabilidade química, estabilidade térmica, absorção de luz solar em banda larga e extensas fontes da natureza e de produtos industriais . A fibra de carbono (CF) como produto comercial com desempenho “leve e forte” é amplamente utilizada em materiais compósitos avançados (aplicações aeroespaciais, militares, esportivas, automobilísticas e outras) devido às suas excelentes propriedades, incluindo baixa densidade, excelentes propriedades mecânicas, resistência à corrosão, resistência à fluência, estabilidade química, boa condutividade térmica e adsorção peculiarmente boa da luz solar42,43,44,45. Apesar de tantos méritos do CF, sua hidrofilicidade de superfície é muito pobre em hidrofilicidade para ser utilizada diretamente para evaporação assistida por energia solar devido à ausência de grupos funcionais polares . Muitos esforços foram feitos para melhorar a capacidade hidrofílica da fibra de carbono para evaporação do vapor de água, incluindo tratamento com ácido nítrico47, tratamentos de plasma48, método hidrotérmico46, revestido por grafeno49. Embora essas tecnologias tenham bons resultados, os métodos de fabricação de materiais são muito complexos e caros para serem amplamente utilizados. Portanto, é significativo explorar um novo método para melhorar a hidrofilicidade do CF e a utilização de purificação de água assistida por energia solar.