海水淡化加速:科学家研制可高效脱盐的新型纳米颗粒材料

2021年04月29日 14:52 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

俄罗斯远东联邦大学(FEFU)、圣光机大学(ITMO University)和俄罗斯科学院远东分院的研究人员组成的一支科研团队,刚刚在 ACS《应用材料与界面》期刊上介绍了为高效脱盐而开发的新型纳米颗粒材料。可知这种带有“金饰”的二氧化钛纳米颗粒,可将之吸收的大约 96% 太阳能转化为热量,从而让海水淡化工厂的蒸发提速至 2.5 倍,且可用于追踪有害的分子及化合物。

FEB RAS 高级研究员 ALexander Kuchmizhak(来自:FEFU 新闻稿)

根据世卫组织(WHO)与联合国儿童基金会(UNICEF)在 2019 年的报告中提出的问题,全球约 22 亿人缺乏安全的饮用水。但俄罗斯科学家展示的这项技术,有望为联合国的 17 个可持续发展目标提供安全用水支持。

提供清洁饮用水的其中一种方法,就是通过蒸发收集器来淡化海水。不过为了提升产能,过去五年时间里,许多国际研究团队都在积极寻找可提升蒸发速率的新材料。

除了 FEFU、FEB RAS 和 ITMO 的大学研究人员,这项成果还离不开来自西班牙、日本、保加利亚、以及白罗斯的同行协助。

而且研究人员宣称,在加速海水淡化工厂的蒸发速率的同时,新型纳米材料还可用作传感器系统中的光学监测器,以追踪液体中各种物质的微小痕迹。

展望未来,我们或在微流体生物医学系统、芯片实验室,以及水中污染物、抗生素或病毒的环境监测等领域见到它的身影。

研究配图(来自:ACS

研究合著者、FEB RAS 自动化与控制过程研究所高级研究员 Alexander Kuchmizhak 表示:“在激光照射下,最初结晶的二氧化钛变成了完全无定形的晶体,从而获得了强大的光吸收特性”。

此外金纳米簇对材料的装饰和掺杂,进一步促进了可见光的吸收。起初研究团队打算在光伏背景下利用这项特定,但后续很快意识到,得益于新型非晶结构,太阳能电池活性层中的纳米粒子,将把太阳能转换成热能、而不是电能。

基于这一设想,他们开始尝试在海水淡化槽中运用这种纳米加热器,结果在实验室环境下收获了积极的反馈。值得一提的是,研究中使用的材料本身,也是通过简单且环保的液体激光烧蚀技术得来的。

FEFU 理工学院初期研究员 Stanislav Gurbatov 补充道:“我们向含有金离子的液体中添加了二氧化钛纳米分粉,并利用可见光谱的极光脉冲来照射这种混合物”。

该方法不需要昂贵的设备或危化品,并且能够很轻松地进行优化,以每小时数克的速率来合成独特的纳米材料。

虽然最初的二氧化钛纳米粒子无法吸收可见光的激光辐射,但其表面形成的纳米金簇可起到催化的作用,从而刺激了二氧化钛的进一步熔融。

其中杂化的纳米粒子融合形成了独特的纳米形态,且纳米金簇位于二氧化钛的内部和表面。

最终,带有“金饰”的非静态二氧化钛纳米粉呈现了几乎纯黑的外观,就像太空中的黑洞那样吸收了整个可见光谱、并将之转换成了热量。与之形成鲜明对比的是,用于原料的市售二氧化钛粉末,看起来反而更接近于白色。

有关这项研究的详情,已经发表在近日出版的 ACS《应用材料与界面》(Applied Materials & Interfaces)期刊上。原标题为《Black Au-Decorated TiO2 Produced via Laser Ablation in Liquid》。

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