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蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院王京教授和瑞士材料科學(xué)聯(lián)邦實(shí)驗(yàn)室趙善宇博士團(tuán)隊(duì) AS：植物仿生制備太陽能被動(dòng)氣凝膠熱蒸騰泵用于可揮發(fā)有機(jī)物降解
2022-02-28  來源：高分子科技

圖1. MnO2-PMSQ氣凝膠對(duì)甲苯降解性能。A) 甲苯濃度隨輻照時(shí)間的變化。B) VOC 降解效率對(duì)比。C) 太陽能驅(qū)動(dòng)的熱蒸騰及光熱催化 VOC 降解示意圖（左圖）， MnO2-PMSQ 和 PMSQ 氣凝膠界面的 SEM-EDX 圖像（右上圖），及 MnO2 納米顆粒的光熱轉(zhuǎn)化示意圖（右下圖）。

 

  受水生植物中太陽能光驅(qū)動(dòng)氧氣傳輸?shù)膯l(fā)，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETHZ)王京教授和瑞士材料科學(xué)聯(lián)邦實(shí)驗(yàn)室(Empa)趙善宇博士團(tuán)隊(duì)通過仿生水生植物的熱蒸騰效應(yīng)開發(fā)了一種新型可持續(xù)光驅(qū)動(dòng)氣凝膠泵，其表面層含有黑色氧化錳 (MnO2) 作為光吸收劑（圖1）。泵送空氣的流動(dòng)強(qiáng)度由納米纖維素 (NFC)、尿素改性殼聚糖 (UMCh) 和聚甲基倍半硅氧烷 (PMSQ) 氣凝膠的孔隙特性控制（圖2）。由 MnO2 驅(qū)動(dòng)的光熱轉(zhuǎn)化誘導(dǎo)了揮發(fā)性有機(jī)污染物的被動(dòng)流動(dòng)和催化降解。與基準(zhǔn)的 Knudsen 泵系統(tǒng)相比，所有氣凝膠都表現(xiàn)出卓越的泵送能力（圖3）。無機(jī) PMSQ 氣凝膠在輸入功率和光熱降解活性方面提供了更大的靈活性（圖4）。因此，這種氣凝膠光驅(qū)動(dòng)的多功能氣泵系統(tǒng)為氣體傳感設(shè)備、空氣質(zhì)量測繪和空氣質(zhì)量控制系統(tǒng)提供了廣泛的未來應(yīng)用。


圖 2 A) 聚甲基倍半硅氧烷 (PMSQ)-MnO2 雙層氣凝膠的照片。 B) MnO2 納米薄片的SEM 和 C) HRTEM 圖像以及嵌入 PMSQ 中的 MnO2 的 SEAD 衍射圖。嵌入 D) 納米纖維素 (NFC)，E) 尿素改性殼聚糖 (UMCh) 和 F) PMSQ 中的 MnO2 納米薄片的 TEM； X 射線斷層掃描的 3D 體積渲染低密度氣凝膠基質(zhì)（紅色），及MnO2 納米薄片（灰色）對(duì)應(yīng)于G）NFC，H）UMCh和 I）PMSQ 氣凝膠基體。

 

圖 3 孔徑和結(jié)構(gòu)對(duì)泵送性能的影響。A) 納米纖維素(NFC)、B) 脲基改性殼聚糖 (UMCh) 和 C) 聚甲基倍半硅氧烷 (PMSQ) 納米微粒氣凝膠結(jié)構(gòu)的熱蒸騰作用。D) Kn 等值線圖下孔徑和溫度在 1 bar 氣壓對(duì)應(yīng)的函數(shù)。E) 在 20 cm (97 mW?cm2) 和 5 cm (222 mW?cm2, 僅 PMSQ適用) 照射后，泵送性能與質(zhì)量和體積流量的關(guān)系。F) 流速與功率輸入的關(guān)系以及與現(xiàn)有技術(shù)的比較。


圖4 雙功能氣凝膠膜的污染物降解。A) 多孔氣凝膠的吸附能力和 B) 甲苯的降解效率及穩(wěn)態(tài)溫度。C) 含有MnO2 的 NFC、UMCh 和 PMSQ 樣品的 X 射線衍射 (XRD) 圖。D) 原始?xì)饽z材料的熱重分析（TG 和 DTG）。E) 吸收層 (50 wt.% MnO2) 的 XPS 光譜：MnO2 和嵌入氣凝膠中的 MnO2 的 Mn2p3/2電子能量疊加，以及半峰全寬列表。 F) PMSQ、UMCh 和 NFC 氣凝膠的 紅外光譜。

 

  該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于多孔氣凝膠材料熱蒸騰效應(yīng)相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一。1909 年，Knudsen 首次使用長玻璃管毛細(xì)管探索了熱蒸騰過程。而在多孔材料中產(chǎn)生有效熱蒸騰的一般要求是 (i) 保持的溫度梯度不會(huì)因穿過多孔材料的強(qiáng)熱傳輸而顯著損害，(ii) 通過開孔的有效氣體傳導(dǎo)，和 (iii) ) 氣體分子的平均自由程與孔弦長度的適當(dāng)比率（克努森數(shù) Kn范圍為 1-10）（圖3）。氣凝膠是制造熱蒸騰泵（KP）的理想材料候選者，因?yàn)樗鼈兙哂械兔芏、高孔隙率和超低熱?dǎo)率。對(duì)于此類材料，形成熱梯度傳統(tǒng)上通過電阻加熱器進(jìn)行額外功率輸入。而在自然界中，水生植物的熱蒸騰是由太陽能被動(dòng)誘導(dǎo)的，太陽能是最環(huán)保的可持續(xù)電力輸入之一。通過模仿這種自然系統(tǒng)，團(tuán)隊(duì)提出了由各種氣凝膠材料組成的 KP 裝置，這些材料在孔結(jié)構(gòu)、可達(dá)到的孔徑和操作溫度方面具有互補(bǔ)的特性。使用光（例如太陽能）作為唯一的能量輸入，可持續(xù)的被動(dòng)質(zhì)量流由氣凝膠的不同結(jié)構(gòu)控制。因此，在空氣通過雙層氣凝膠膜傳輸?shù)倪^程中，有機(jī)污染物的去除通過吸附到氣凝膠多孔結(jié)構(gòu)和 MnO2表面活性位點(diǎn)上，然后進(jìn)行光熱催化來促進(jìn)降解（圖4）。在過去的幾年中，團(tuán)隊(duì)開發(fā)探索了氣凝膠基熱蒸騰泵原型（ACS AMI, 2015, 7 (33), 18803-18814），并采用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了超薄雙層氣凝膠泵的組裝（Nature, 2020, 584 (7821), 387-392），為推進(jìn)太陽能被動(dòng)氣凝膠多功能泵送系統(tǒng)進(jìn)行研究探索，為實(shí)現(xiàn)清潔能源和碳中和提供新的途徑。


  該工作以''''Biomimetic Light-Driven Aerogel Passive Pump for Volatile Organic Pollutant Removal''''為題發(fā)表在《Advanced Science》上。該文章通訊作者為ETHZ王京教授和Empa高級(jí)研究員趙善宇博士，Wim J. Malfait博士。ETHZ Sarka Drdova博士和Empa趙善宇博士為共同第一作者。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202105819 

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（責(zé)任編輯：xu）
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