高强度导电水凝胶（江西科技师范大学）

高强度导电水凝胶（江西科技师范大学）图 3. 太阳能蒸汽产生性能不同PEDOT:PSS-PAAm双网水凝胶。（a）PEDOT:PSS-PAAm双网络水凝胶在紫外-可见近红外区域的AM 1.5G反射率和吸收率光谱（波长范围：250 ∼ 2500 nm；样品厚度：5 mm）。插图：相应的反射光谱。（b红外热成像拍摄的纯水下的不同PEDOT:PSS-PAAm 双网络水凝胶表面温度随时间的变化。（c）红外成像显示的在一个太阳照射下4 wt.% PEDOT:PSS-PAAm双网络水凝胶表面温度随时间（0分钟，10分钟，30分钟和60分钟）的变化。（d）计算出的水和不同的PEDOT:PSS-PAAm双网水凝胶的等效蒸发焓。（e）水和变化的PEDOT：PSS-PAAm双网水凝胶的质量随时间变化。（f）不同 PEDOT:PSS-PAAm 双网水凝胶的蒸汽生成速率和相应能效。（g）对4 wt.% PEDOT:PSS-PAAm双网水凝胶在模拟海

研究背景

由清洁的阳光提供动力以加速水净化的蒸发过程的太阳能蒸汽发生器，已被证明是以一种绿色环保的方式解决目前淡水危机的有前景的技术之一。太阳能蒸汽发生的基础探索和实际应用的关键是通过光热材料吸收太阳光并将其转化为热量。目前，一系列的材料被报道为光热材料，包括石墨烯/碳纳米管/炭黑基材料，等离子体纳米颗粒，半导体以及水凝胶等等。然而，尽管这些试验取得了令人振奋的进展，但大多数光热材料在宽带太阳光吸收、高能效、快速蒸汽发生率、长期性能可靠性和稳定性方面无法同时满足所有必需的蒸发变化，阻碍了它们在海水淡化和污水净化方面的实际应用。江西科技师范大学卢宝阳教授课题组设计了一种聚（3 4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）：聚苯乙烯磺酸盐-聚丙烯酰胺（PSS-PAAm）双网络水凝胶，用于通过粘性PEDOT:PSS纳米纤维分散体中丙烯酰胺的一步自由基聚合和化学交联来产生界面太阳能蒸汽。

相关成果以“Design of poly(3 4-ethylenedioxythiophene): polystyrene sulfonate- polyacrylamide dual network hydrogel for long-term stable highly efficient solar steam generation”为题，发表在《Separation and Purification Technology》（IF=9.136，中科院一区TOP）上。

研究内容

本文研究设计了一种PEDOT:PSS-PAAm双网络水凝胶作为用于太阳能蒸汽发电的高性能界面光热材料。这种水凝胶表现出优异的整体蒸汽生成性能，同时在整个UV-vis-NIR波长范围内具有很高的光吸收率∼99.8%（在250~2500nm范围内），快速的水传输速率，高蒸汽生成速率~2.15 kg m-2 h-1），优异的能源利用效率~97.2%，良好的机械性能，出色的长期可靠性和稳定性，以及30天以上的防盐污垢性能。通过制造基于这种水凝胶的蒸汽发生装置，得到了满足WHO和美国EPA饮用水标准的净化水质，进一步证明了其在实际海水淡化和污水净化方面的广阔应用前景。得益于PEDOT:PSS-PAAm双网水凝胶的一系列特性，该水凝胶可以被视为迄今为止实用太阳能水净化的最佳候选材料之一，未来的工作将集中在制定更有效的策略，合理设计高性能光热转换水凝胶，以实现可扩展的实用海水淡化和纯化。

研究数据

图 1. PEDOT:PSS-PAAm双网水凝胶太阳能蒸汽产生设计。（a）PEDOT的化学式：PSS吸收剂、AAm单体、N N′-亚甲基二（丙-2-烯酰胺）(MBAA)交联剂、过硫酸铵（APS）引发剂和四甲基乙二胺（TEMED）催化剂。（b）一步法自由基聚合和化学交联用于太阳能蒸汽产生的PEDOT：PSS-PAAm双网状水凝胶设计示意图。插图：4 wt.%PEDOT：PSS-PAAm水凝胶的ESEM图像，显示微孔网络形态。

图 2. PEDOT:PSS-PAAm双网水凝胶的含水量、溶胀行为及力学性能.（a）不同PEDOT:PSS浓度下的PEDOT:PSS-PAAm双网水凝胶在等效状态下的饱和含水量。所得PEDOT:PSS-PAAm水凝胶的饱和含水量随PEDOT:PSS浓度的增加而增加。（b）PEDOT:PSS重量比分别为1 wt.%，2 wt.%，3 wt.%，4 wt.%和5 wt.%时，PEDOT:PSS-PAAm干凝胶随时间变化的动态溶胀行为。（c）PEDOT:PSS-PAAm干凝胶在饱和状态下相应的膨胀时间和水运转速率。（d）PEDOT:PSS-PAAm双网络水凝胶的数字图像。（e）不同PEDOT:PSS-PAAm双网络水凝胶的拉伸应力-应变曲线。（f）纯PAAm水凝胶和各种PEDOT:PSS-PAAm双网水凝胶的杨氏模量。

图 3. 太阳能蒸汽产生性能不同PEDOT:PSS-PAAm双网水凝胶。（a）PEDOT:PSS-PAAm双网络水凝胶在紫外-可见近红外区域的AM 1.5G反射率和吸收率光谱（波长范围：250 ∼ 2500 nm；样品厚度：5 mm）。插图：相应的反射光谱。（b红外热成像拍摄的纯水下的不同PEDOT:PSS-PAAm 双网络水凝胶表面温度随时间的变化。（c）红外成像显示的在一个太阳照射下4 wt.% PEDOT:PSS-PAAm双网络水凝胶表面温度随时间（0分钟，10分钟，30分钟和60分钟）的变化。（d）计算出的水和不同的PEDOT:PSS-PAAm双网水凝胶的等效蒸发焓。（e）水和变化的PEDOT：PSS-PAAm双网水凝胶的质量随时间变化。（f）不同 PEDOT:PSS-PAAm 双网水凝胶的蒸汽生成速率和相应能效。（g）对4 wt.% PEDOT:PSS-PAAm双网水凝胶在模拟海水中室外暴露超过30天的蒸汽生成速率和能源效率进行长期性能和稳定性监测。插图：模拟海水的质量随第1天和第 30 天测量的时间而变化。（h）记录1 h水质量变化和（i）在不同太阳照射功率（0.75∼2.0太阳，0.75∼2.0 kW m-2）下记录的4 wt.% PEDOT:PSS-PAAm双网水凝胶的相应蒸汽生成率.

图4. 基于PEDOT:PSS-PAAm双网水凝胶的太阳能蒸汽发生装置的设计，用于海水淡化/污水净化。（a）基于4 wt.% PEDOT:PSS-PAAm双网水凝胶的太阳能蒸汽发生装置设计示意图。（b）在海水淡化之前/之后对各种模拟海水样品进行盐度检测（插图：通过电导测试计算出的纯化水的盐度）。（c）典型阳离子（Na Mg2 K 和Ca2 ）在海水淡化之前/之后的不同样品中的浓度差。（d）典型阳离子（Cu2 Zn2 Pb2 和Ni2 ）在净化前/后污水样品中的浓度差。（e，f）加入罗丹明-B（e）和亚甲基蓝（20 mg/L）（f）的污水样品纯化前/纯化后的紫外-可见吸收光谱。插图：显示纯化前/后颜色变化的图像。（g）通过电极之间固定距离的万用表监测不同样品的水质评估。结果表明，生成的水纯度高，优于生活用水。

本文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1383586622014447

课题组前期相关研究工作

Q. Zhao J. Liu Z. Wu X. Xu H. Ma J. Hou Q. Xu R. Yang K. Zhang M. Zhang H. Yang W. Peng X. Liu C. Zhang J. Xu B. Lu* Robust PEDOT:PSS-based hydrogel for highly efficient interfacial solar water purification Chem. Eng. J. 442 (2022) 136284. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136284.

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894722017818

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