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资讯中搜“海水脱盐”的结果 - X-MOL

发布时间:2019-06-29 15:16 来源:未知 编辑:admin

  在氧化石墨烯(GO)层片孔分离膜中,层间含氧官能团支撑起sp2纳米毛细管网络,这一独特结构具有超快水传输特性及对水中不同溶质的优异选择性,在过滤与分离领域具有应用潜力。利用GO膜筛除尺寸大于其层间纳米毛细管临界尺寸的溶质分子和离子,进而用于纳滤和超滤已被普遍接受。然而,利用GO膜实现水应用是一个具有前景而又存在巨大挑战的发展方向,对于解决全球清洁淡水资源的短缺与污染问题具有重大意义,因此在推动这一新兴膜材料面向实际能力以及如何充分开发其潜能等若干基础问题。 近日,清华大学材料学院朱宏伟教授与航天航空学院徐志平教授、日本国立材料研究所马仁志研究员合作,通过综合运用同位素标记法辅助同步跟踪水分子和盐离子跨膜扩散、压力驱动过滤及分子动力学计算模拟,揭示了GO分离膜水研究中所存争议背后长期以来被忽视的原因。结果表明,GO分离膜在浓度梯度驱动扩散过程中可实现优异的水/离子选择性,在水率较低。实验和理论研究证实,上述矛盾结果源于水/离子选择性与外加压力和GO层间纳米通道长度间的强关联作用。外加压力削弱了受限于GO纳米通道中的水–离子相互作用,进而降低了水/离子选择度,而GO纳米通道长度调控不同盐离子间的相对选择性并在水和离子的传输过程中发挥主导作用。 以上研究结果为理解GO分离膜的深层次机制奠定了基础。考虑到外加压力对GO分离膜的本征较高水/离子选择度产生的负面作用以及水分子和盐离子在GO膜中的独特传输机制,较厚GO膜在正渗透领域的应用是未来具有潜力的发展方向。 这一研究结果发表在《Chemical Science》上。清华大学材料学院博士生孙鹏展为论文第一作者。 原文:Intrinsic high water/ion selectivity of graphene oxide lamellar membranes in concentration gradient-driven diffusion. Chem. Sci., 2016, DOI: 10.1039/C6SC02865A X-MOL材料领域学术讨论)

  地球表面虽然有70%以上面积为水所覆盖,但只有2.53%是人类生存所必需的淡水。据联合国预计,到2025年,全球将有18亿人口面临绝对缺水的问题,三分之二的人口可能在用水紧张的条件下生活。[1] 水危机已经严重制约了人类的可持续发展,成为世界上几乎最严重的资源问题。如何更好地利用海洋中大量的水资源来解决缺水问题,是近年来越来越热门的研究方向。 目前,海水淡化技术按分离过程分类主要有蒸馏法、膜法、电渗析法、结晶法、溶剂萃取法和离子交换法等。经过将近40年的发展,反渗透膜法海水淡化技术已经相当成熟。陶氏、通用电气等公司已将海水淡化膜商业化,脱盐率高达99.3%,可适应的操作压力范围不断增大,抗污染和抗氧化能力不断提高,该领域是不是已经趋于完美无懈可击了呢? 陶氏SW30XHR-400i海水淡化反渗透膜。图片来自网络 近日,美国加州大学尔湾分校(UCI)的Shane Ardo博士(点击查看介绍)课题组在Cell Press旗下的新星、今年9月份正式创刊的Joule 杂志上发表文章,认为现有的反渗透膜存在水通量不足、长期耗电量大等问题。研究者认为水是一种“质子半导体”,可以类比传统的电子半导体pn结,设计出光伏驱动的染料敏化双极性离子交换膜,通过“质子分离”过程,将太阳能转化为膜两端的电势差。这样就有希望将太阳能直接用于海水淡化。 Shane Ardo博士(左)和WilliamWhite(右,本文一作)。图片来源:UCI 高效的太阳能电池包含pn结,半导体在受到光照时,由于非对称结构,电子和空穴分离产生电势差。水作为半导体,也可以发生类似的过程。只是此时,电子和空穴分离变成了氢氧根离子和质子分离,随后,利用双极性离子交换膜,可以实现膜两边的电势差。 半导体和双极性离子交换膜的能级示意图。图片来源:Joule 光激发离子分离并产生电流的理论研究可以追溯到上个世纪80年代,然而将其付诸于实际应用的研究却少之又少。研究者将光敏染料嵌在高分子薄膜里,制备了染料敏化双极性离子交换膜。在激光(405 nm)的照射下,质子移动到离子交换膜一端,而氢氧根移动到另一端,并产生平均60 mV的电势差(最高可达100 mV),电流密度1.86 μA/cm2。因此作者称这一过程为“光驱动的质子泵(light-driven proton pump)”。 染料敏化双极性离子交换膜。图片来源:Joule 染料敏化双极性离子交换膜的光伏性能。图片来源:Joule 离子交换膜的制备材料都非常廉价,“只需要常见的聚乙烯塑料、光吸收染料分子和水”,Ardo博士说,因此“我们的研究结果对直接将太阳能转化为离子电的装置有很大的意义,有希望将该装置应用于海水淡化。” [2] 不过,此前也有研究称,应用于海水淡化的电势差最少需要达到200 mV。 电化学测试过程示意图。图片来源:Joule 研究者还认为这种技术还有潜力应用于其他的领域,比如人机接口系统等。[2] 不过无论哪种应用,都意味着还有更多的工作要做。 原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文): Conversion of Visible Light into Ionic Power Using Photoacid-Dye-Sensitized Bipolar Ion-Exchange Membranes Joule, 2017, DOI: 10.1016/j.joule.2017.10.015 导师介绍 Shane Ardo 课题组主页 参考资料: 1. (本文由小希供稿)

  水资源覆盖了70%的地球表面,然而其中97%为不可直接利用的海水和废水,淡水因而成为日益稀缺的资源。海水淡化具有低成本、可扩展性、不受地理天气限制以及对生态系统影响小等特点,在各种缓解淡水短缺的策略中脱颖而出。由于太阳能资源丰富、可持续、无污染,太阳能海水淡化得到了广泛的关注和快速的发展。为了提高太阳光的吸收,不同光热转化材料如金属纳米粒子、碳基材料、共轭聚合物等已得到广泛的研究。除此以外,为实现标准太阳光下(1 kW•m-2)的海水淡化,人们设计了不同新颖的微观及宏观结构以减少热损失,提高能量利用的效率。水凝胶是具有水分子溶胀的三维交联高分子网络,这种网络能通过降低水的蒸发焓加速水分的蒸发。假如由太阳能转化的热能可以集中于水凝胶蒸发表面的高分子网络中,其水分蒸发速率将会明显提高。然而,水凝胶相对较慢的水运输阻碍了蒸发网络的水补给,影响了基于水凝胶太阳能海水淡化的发展。 近日,美国德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华教授(点击查看介绍)课题组设计了一种基于防污染水凝胶的高效太阳能海水淡化蒸发器。作者通过引入毛细管水通路增强了水凝胶的水运输,实现了高效快速的水蒸发及盐水分离。相关成果近日发表在Energy & Environmental Science 杂志上,论文的共同第一作者为博士生周星怡、赵飞博士和博士生郭猷泓。 图1. 基于毛细管促进水运输的水凝胶的太阳能水蒸发。 这种具有毛细管的水凝胶(CTH)由还原的氧化石墨烯(rGO)和聚乙烯醇(PVA)构成。在太阳辐射下,贯穿于聚乙烯醇网络内的rGO可有效吸收太阳能,并将能量转化且限制于蒸发表面的网格中,加快水分蒸发。通过毛细管的毛细作用和高分子网络的渗透作用,水分可快速运输到蒸发表面,补充蒸发过程高分子网络的水分损失,实现持续的水蒸发。通过调控聚合物网络与rGO添加剂的相互作用,这种水凝胶在标准太阳光的照射下(1 kW•m-2)可实现约2.5 kg•m-2•h-1的水蒸发速率,相应的太阳能利用效率为95%。 图2. 基于毛细管促进水运输的水凝胶太阳能水蒸发的速率及能量利用效率。(a)不同CTH及纯水的水损失随时间的变化;(b)CTH与最近报道的水蒸发器的蒸发速率和能量利用效率的比较。 基于水凝胶的海水淡化,他们将水的盐度降低三到四个数量级,实现有效的海水淡化。除此之外,其防污染性能以及长时间的稳定蒸发速率进一步证实了CTH在实际应用中的巨大潜力。 图3. 基于毛细管促进水运输的水凝胶太阳能海水淡化的效果及防污染性能。(a)基于CTH的海水淡化示意图;(b)海水中四种主要的离子在CTH淡化前后的盐度;(c)海水中四种主要离子在不同时间太阳光照射下(12, 24, 36, 48 h)CTH中的浓度;(d)CTH连续96 h海水淡化的水蒸发速率。 CTH的高分子网络可减少水的蒸发焓,降低蒸汽的能量需求。通过将热量限制在分子网格中,其能量损失大大减少且水蒸发速率显著提高,有望在弱日光条件下实现快速高效率的海水淡化。此外,水凝胶还可用于环境冷却、水/湿气管理等。 该论文作者为:Xingyi Zhou, Fei Zhao, Youhong Guo, Yi Zhang and Guihua Yu 原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文): A hydrogel-based antifouling solar evaporator for highly efficient water desalination Energy Environ. Sci., 2018, DOI: 10.1039/C8EE00567B 导师介绍 余桂华 课题组链接

  淡水资源日益匮乏成为当前人类社会不可回避的严峻问题。地球表面97%的水资源集中在海洋,将目光瞄向海洋,从海水中提纯淡水资源成为当前水资源开发的主题。目前,多级闪蒸、反渗透过滤等海水淡化技术已经得到实际工业化应用,但是这些技术能耗过高,不符合可持续发展的要求。太阳能作为一种近似取之不尽、用之不竭的清洁能源,目前已经被广泛开发利用,不过在海水淡化领域太阳能的应用并未规模化,基于光热转化材料借助太阳能实现海水淡化近来也成为了研究热点。 近日,美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)Seth B. Darling博士(点击查看介绍)等研究者以传统中国文房四宝之一的“墨”为光热转换材料对多孔材料进行表面沉积改性,可用于膜蒸馏海水淡化。基于中国墨的涂层在近红外(NIR)及紫外(UV)区具有强吸收特性,其改性膜材料具有卓越的光热转化效率和水蒸发效率。此外,这种墨涂层的强粘附能力使其能够在木材、纤维、塑料等各种多孔基底表面简便涂覆沉积,利于大规模工业化应用。 中国墨涂覆改性多孔膜示意图。图片来源:Adv. Mater. Interfaces 中国墨是由纳米碳材料(如烟灰)、动物胶及其他添加剂等构成的混合物,几千年被广泛用于中国的书法和绘画。研究表明作为一种碳基材料,中国墨的光热转换效率明显高于铜、氧化铜纳米颗粒,甚至炭黑。测试表明在1太阳光强(1 Sun)的照射下,中国墨涂层表面温度能够在30 s内从室温升高至90 ℃,这意味着它在膜蒸馏海水淡化领域具有极大的开发前景。 不同材质基底的中国墨涂覆改性。图片来源:Adv. Mater. Interfaces 与钢笔的墨水相对,传统的中国墨具有较强的基底粘附能力,因此可以简便实现在木材、纤维、塑料泡沫等多种基底的简便涂覆。该涂覆改性的多孔材料干燥后进一步利用原子层沉积技术(ALD)在其表面沉积TiO2层。该TiO2层的存在能够有效避免中国墨溶解带来的二次水污染,同时其亲水性能够显著提升多孔材料的水分传输供应速率。最终制备的中国墨改性多孔材料具有良好的耐水性以及优异的光热转换效率。 中国墨材料的结构表征。图片来源:Adv. Mater. Interfaces 高分辨率透射电子显微镜(TEM)测试表明,中国墨中的碳材料由无定型的碳纳米颗粒(粒径~100 nm)和碳纳米片构成。研究人员进一步对PVDF表面中国墨改性后的表面形貌进行了详细的SEM表征,材料表面由几十到一百纳米的纳米粒子堆积形成多孔结构,基于中国墨的多孔涂层厚度约为5 µm。同时,随着后续ALD循环次数的增加,纳米颗粒尺寸略微增加。经过ALD处理后,EDS测试显示TiO2薄层在材料表面分布均匀。 中国墨涂覆PVDF多孔膜表面形貌表征。图片来源:Adv. Mater. Interfaces 对中国墨及其涂覆改性多孔材料进行UV-Vis吸收光谱测试,与氧化石墨烯溶液类似,该墨水溶液在可见光和UV区存在较强的吸收,最大吸收峰为260 nm。中国墨改性多孔膜表面呈现较小的光反射率和极低的透光率,材料在UV-Vis-NIR区域整体吸光率超过85%。同时,耐水性测试表明ALD技术是赋予材料优异耐水性的关键。此外,表面沉积TiO2薄层显著提升了涂层的亲水性,利用底部空隙中水分的传输。 中国墨及其涂覆改性材料光学性能、耐水性测试。图片来源:Adv. Mater. Interfaces 进一步对中国墨改性膜材料的水蒸发速率和效率(1 Sun)进行测试,纯水表面水蒸发速率为0.31 kg m-2 h-1,中国墨改性的膜和木材体系其水蒸发速率分别提升了2.4倍(0.75 kg m-2 h-1)和4.2倍(1.31 kg m-2 h-1),蒸发效率分别为47.0% 和82.2%。同时,该体系具有优异的循环使用性和稳定性。 改性膜水蒸发效率测试。图片来源:Adv. Mater. Interfaces 总结 本文创造性的利用中国墨作为碳基光热转换材料,结合表面原子层沉积技术,在多种材质上中国墨涂覆改性多孔膜展现出高效的水蒸发效率和稳定性。该研究成果进一步拓展了膜蒸馏应用领域纳米碳材料的来源,同时在碳材料来源及经济适用性方面具有独特的优势,有望用于海水淡化。 原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文): Chinese Ink: A Powerful Photothermal Material for Solar Steam Generation Adv. Mater. Interfaces, 2018, DOI: 10.1002/admi.201801252 导师介绍 Seth B. Darling

  近年来,清洁能源问题引起越来越多的关注,而成本较低的电解海水产氢也随之成为科学研究的热点。追求高性能、低成本的电催化剂成为一种重要的趋势,目前传统电催化产氢的催化剂主要以金属铂为主。其成本高昂,并不适用于大规模的工业使用。同时,由于海水强腐蚀性、弱导电性以及毒化离子的存在,铂基催化剂电解海水产氢的性能并不令人满意。因此,制备高活性且耐腐蚀的催化剂是未来电解海水产氢的研究方向。近日,澳大利亚阿德莱德大学的乔世璋(点击查看介绍)团队通过一种镍金属诱导的方法,常压下成功合成出一种新型的富氮二维材料Mo5N6用于高效电解海水产氢。该材料结合高催化活性以及高稳定性等特点,为未来高效电催化产氢提供了新的思路。 过渡金属富氮化合物具有独特的电子结构、良好的导电性以及较好的抗腐蚀能力,所以在电解海水产氢领域具有很好的发展前景。但在过渡金属晶格内嵌入氮原子需要很大的能量,导致富氮化合物的常压合成存在很大的阻碍。 阿德莱德大学的乔世璋团队开发出一种新型的合成方法,首次在常压条件下合成出富氮的二维Mo5N6纳米片,很好地弥补了上述缺憾。由于其独特的富氮结构,这种新型的二维材料具有良好的导电性及耐腐蚀性,因此在电解海水产氢中表现出优异的性能。与传统缺氮化合物不同,富氮的结构致使金属原子价态升高,提升了材料整体的稳定性。这种材料可以在天然海水中持续产氢100小时,而衰减小于20%,优于相关的金属缺氮化合物以及金属铂。 该研究选择含有钼镍的化合物作为催化剂前驱体,通过氨化处理在常压条件下制备了具有二维形貌的富氮Mo5N6纳米催化剂。值得注意的是,使用没有加入Ni前驱体制备的是缺氮的MoN纳米片,这也证明了Ni诱导剂在富氮化合物常压合成中的重要作用。 根据TEM和SAED成像,镍诱导法制备的Mo5N6纳米片具有二维结构(~3 nm)以及体相Mo5N6的晶体特征,同时XPS以及XANES成像证明了Mo5N6中Mo原子的高价态。 电化学测试表明,在电催化产氢反应中,Mo5N6具有优异的活性。在天然海水电解质中,Mo5N6的活性超过相关缺氮化合物以及金属铂。在电流密度10 mA•cm-2处,过电势只有257 mV。在4小时的稳定性测试中,Mo5N6可保持其原始活性的99.4%,优于Pt/C (5.5 %)、MoN (55 %)、Ni0.2Mo0.8N (49.1 %)和Ni3N (20 %)。理论计算发现,Mo5N6的d带中心相比于MoN更接近Pt,由此解释了其高催化活性的起源。 这项研究表明二维富氮Mo5N6纳米片是一种具有优越性能的电催化产氢催化剂,从而证实了具有富氮结构的过渡金属氮化物作为高效电解海水产氢催化剂的可行性。该研究为设计具有高活性、高稳定性的电催化剂提供了新的思路,同时建立的新型合成方法也为常压条件下合成富氮过渡金属化合物提供了重要的借鉴。相关研究发表在ACS Nano 上,文章的第一作者为阿德莱德大学的博士研究生金桓宇,通讯作者为郑尧研究员和乔世璋教授。 该论文作者为:Huanyu Jin, Xin Liu, Anthony Vasileff, Yan Jiao, Yongqiang Zhao, Yao Zheng and Shi–Zhang Qiao 原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文): Single-Crystal Nitrogen-Rich Two-Dimensional Mo5N6 Nanosheets for Efficient and Stable Seawater Splitting ACS Nano, 2018, 12, 12761, DOI: 10.1021/acsnano.8b07841 导师介绍 乔世璋

  全世界有超过十亿人缺乏淡水,而且问题会越来越严重——据估计,到2025年世界人口高达三分之二可能面临缺水问题。与之相对,海水资源相当丰富,将海水淡化为饮用水是个很好的选择。但目前主流的膜过滤技术,耗能大成本高,对于淡水资源更缺乏的发展中国家来说是很大的负担。不算是新技术的太阳能蒸馏海水淡化没有耗能问题,但光热转换效率效率太低,淡水产量难以符合大规模使用的需求。科学家们曾试图使用金属纳米颗粒来提高太阳能蒸馏的效率,效果较好的是金(gold)或者其他贵金属纳米颗粒,但价格昂贵又成了新的问题。 最近,南京大学朱嘉(Jia Zhu)教授课题组在太阳能海水淡化方面取得了重要进展,他们发明了等离激元增强的太阳能海水淡化(plasmon-enhanced solar desalination)装置,核心部件是铝纳米粒子自组装而成的三维多孔膜,能量传递效率高达90%左右,淡化前后水的盐度可降低4个数量级。该工作发表在《Nature Photonics》上,副研究员周林(Lin Zhou)和硕士生谭颖玲(Yingling Tan)为论文的共同第一作者。(3D self-assembly of aluminium nanoparticles for plasmon-enhanced solar desalination. Nature Photonics, DOI: 10.1038/nphoton.2016.75) 设计示意图 朱嘉教授介绍说,“海水淡化通常是对海水加温,取得蒸馏水。这个过程中,能量消耗非常多。如果只加热水表面的一层分子,水在变成蒸汽的过程中,整体水温就可以维持不变。”针对这一目标,研究人员们发明了等离激元铝黑体材料,该材料包括三个部分,近乎透明的含纳米孔阵列的阳极氧化铝膜(AAM),纳米孔侧壁上密集堆积的铝纳米颗粒,以及在阳极氧化铝膜上面的铝薄层(如下图)。 等离激元铝黑体材料自组装工艺及光学照片对比图 纳米孔直径大约300纳米,形成的纳米孔阵列可以阻止光反射离开并使其在膜内散射,增加光被吸收的几率。铝纳米颗粒的局域等离激元光学共振效应,使得与水接触的铝纳米颗粒附近区域产生极高的局部温度和电磁场增强效应,水蒸汽可快速有效地产生,并可借助多孔结构快速逃离。一般来说,普通的铝只在紫外光波段有很好的光吸收效率,但这种以铝为唯一原材料的新材料则在超宽太阳光谱(400-2500 nm)范围内具有超高光吸收效率(平均>

  96%),这保证了高达90%的能量传递效率。 扫描电子显微镜图片 另外,研究人员们所使用的自组装制备方法,简单且可规模化。实验证明,这种新材料的海水淡化性能优异、稳定,耐用性好,很有希望用于高效太阳能海水淡化的实际应 用。使用这种材料,“死海、波罗的海、渤海等各种盐度的海水,经过淡化后都可以达到国际饮用水标准。”朱嘉教授说。 Science网站也对这一成果以新闻的形式进行了高度评价,标题为:New water purification system could help slake the worlds thirst(DOI: 10.1126/science.aaf5666)。 1. 无机领域学术讨论) X-MOL材料领域学术讨论) 做实验、发文章、报项目……除了不能求文献,与学术有关的问题都能唠唠!

  虽然地球大部分表面都被水覆盖,但适合人类饮用的淡水资源并不丰富,分布也不均匀,当今世界上有成千上万人的日常用水需求还要依靠海水淡化来满足。海水淡化中最常见的技术是反渗透,而反渗透技术的核心是反渗透膜,这种可以选择性除去盐和其他分子的复合膜在海水淡化的实际应用已经超过三十年。反渗透膜一般包括聚酯支撑层、基于相转化铸膜技术构筑的多孔聚砜中间层、高度交联的超薄聚酰胺膜表层。表层的聚酰胺膜足够致密以分离盐离子,同时也足够薄以保持水的高透过率,从而实现高效的海水淡化。表层聚酰胺膜的制备多基于界面聚合法在多孔聚砜膜表面原位构筑,但是该方法无法控制聚酰胺膜产品的厚度和表面粗糙度。厚度不可控,膜性能的变化也比较大;表面粗糙度高,抗污能力就弱。科学家们一直在寻找更好的方法制备更薄更光滑的聚酰胺膜,从而提高反渗透海水淡化的效率并降低成本和能耗。 近日,美国康涅狄格大学的Jeffrey R. McCutcheon教授等研究者抛弃了传统的界面聚合法,提出了一种全新的3D打印技术,制备出更薄更光滑的聚酰胺膜。他们采用电喷雾技术将反应单体直接沉积到基底上进行反应,制备聚酰胺超薄膜。电喷雾形成的液滴较小且单体浓度较低,这使得3D打印的聚酰胺膜厚度最低可达15 nm,并能以4 nm的增量控制膜厚度,表面粗糙度更可低至2 nm。而相比之下,传统膜的厚度范围通常在100-200 nm,而表面粗糙度一般超过80 nm。与此同时,3D打印聚酰胺膜的渗透选择性与商业标准膜相当,海水脱盐的综合性能明显提升。相关论文发表于Science 杂志。 Jeffrey R. McCutcheon教授。图片来源:University of Connecticut 研究人员分别配制了一系列不同浓度的单体间二苯胺(MPD)水溶液、均苯三甲酰氯(TMC)己烷溶液,同时在己烷溶液中添加少量亲脂性离子液体以提高有机溶液相的导电性。在电喷雾过程中,库伦斥力作用使得在强电场作用下分别喷出的单体液滴直径小于1 μm,保证了实验中不同基底表面均匀超薄聚酰胺膜的制备。通过以铝箔为基底能够简便制备自支撑聚酰胺超薄膜,进而转移至不同的支撑基底。测试表明该膜交联密度约为83%。同时,基于单体溶液浓度和反复沉积次数的调控,能够实现不同厚度超薄聚酰胺膜的构筑,单次沉积厚度最低可达4 nm,而且膜厚度与沉积次数呈线性相关。单体浓度越高,单次沉积的厚度也就越大。 聚酰胺膜的3D打印制备过程及膜厚度调控。图片来源:Science 与工业化海水淡化聚酰胺反渗透薄膜(Dow SW30XLE)比较,SEM测试表明该研究中不同单体浓度、沉积次数等实验参数条件下3D打印制备的聚酰胺超薄膜都具有更为光滑的表面,低单体浓度条件下其膜表面粗糙度低至2 nm。同时,这种超薄膜表面粗糙度随单体浓度和沉积次数的增加呈现升高趋势。 超薄聚酰胺膜表面形貌和粗糙度表征。图片来源:Science 在海水淡化应用测试中,与商业化反渗透膜(Dow SW30XLE)相比,这种3D打印制备的聚酰胺超薄膜体系具有更高的NaCl截留率和纯水渗透速率。同时研究表明该超薄聚酰胺膜体系的脱盐综合性能与膜厚度(反应单体浓度)具有强相关性,当MPD:TMC浓度为0.125 : 0.075使,NaCl截留率达95%,水渗透速率达3.68 LMH bar-1。 超薄聚酰胺膜脱盐性能测试。图片来源:Science 总结 Jeffrey R. McCutcheon教授等研究者基于反应单体电喷雾的3D打印技术替代传统的界面聚合,制备可用于海水淡化的高性能超薄聚酰胺膜。他们成功实现了聚酰胺膜厚度及表面粗糙度的纳米级别精细调控,显著提升了复合膜组件的综合海水淡化效率。同时,该超薄膜的构筑策略也为新能源、环境治理、生物医药等其他领域功能膜材料的制备提供了借鉴和启发。 原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文): 3D printed polyamide membranes for desalination Science, 2018, 361, 682-686, DOI: 10.1126/science.aar2122

  在海边游泳的人大多有这样的经历,不小心溅到嘴里的海水尝起来除了咸外,还有浓浓的苦味。这是因为海水中除了含有食用盐氯化钠(NaCl)外,还有一些尝起来不那么美味的其他盐类(MgSO4、CaCl2 等)。如果你有过这样的经历,那么你就切身体验了一次离子特异性效应(Specific Ion Effects),这一效应在化学和生物化学中很常见。早在19世纪80年代,布拉格大学的Hofmeister就发现,如果在鸡蛋清中加入不同的盐,有些盐(比如NaSCN)少量就可以让蛋清变成蛋白(生物学上称为蛋白质变性),而另一些(比如Na2SO4)即使放入很多也没有效果。Hofmeister按照不同离子让蛋清变蛋白的能力为离子排序,这就是生物化学以及物理化学上为人们熟知的Hofmeister序列。在过去的100多年,人们发现含有这些离子盐溶液的许多其他性质,比如胶体的稳定性、层析选择性以及溶液的表面张力等均遵循Hofmeister序列。然而这一序列的背后究竟是什么样的微观机制在起作用至今仍是物理化学界争论的重要问题之一。造成这一争论的主要原因之一是缺乏对离子在界面上微观性质的直接实验观测。 德国马普学会Fritz Haber研究所物理化学系表面分子光谱课题组的仝钰进博士(2018年初已独立建立课题组)与理论系的张颖博士(2018年初已在复旦大学化学系独立建立课题组)理论结合实验,利用先进的非线性激光光谱技术、和频振动光谱(Vibrational Sum Frequency spectroscopy)以及密度泛函理论(DFT)计算,首次实现了直接定量观测高氯酸根离子(ClO4-)在溶液/空气界面的极化特性,为最终理解Hofmeister序列的成因以及离子的特异性效应提供了重要的实验参数。 实验上满足直接测量溶液/空气界面上离子性质的手段至少必须具备两个特征:超高灵敏度和表面选择性。和频振动光谱是一种基于二阶非线性光学过程的振动光谱技术,本质上具备这两个特征,自从1987年加州大学伯克利分校的沈元壤教授最先使用以来,便被世界各地的物理化学家用来研究各种表面科学问题,然而利用其直接观测溶液/空气界面上的离子仍然非常困难。其中最主要的问题是上文提到的大多数有振动响应的含氧离子(如SO42-、ClO4-、HPO42-等)的主要振动模均落在低波数区间(500-1200 cm-1),而这一区间的和频振动光谱研究目前是该方向的公认难题(受限于仪器和技术)。马普学会Fritz Haber研究所的仝钰进博士及其所在的课题组利用马普研究所先进的激光光源以及在和频振动光谱的开发和应用中积累的丰富经验,成功搭建了可检测500-4000 cm-1光谱区间的和频振动光谱仪,并利用其研究离子在不同界面上的行为。通过挑选具有特殊对称性的高氯酸根离子(ClO4-)并研究其体相禁止的振动模,他们发现这一亲界面的离子不仅富集在界面上,而且在界面上发生形变(对称性在界面诱导下发生改变)。不仅如此,他们还通过调节激光的不同极化方向,定量测量该离子在界面上拉曼极化率的退偏比。通过将这一实验测量的数值和密度泛函理论计算的结果进行比较,他们成功描述了在不同体相浓度下该离子在界面上的行为。他们首次发现离子在界面上富集的过程,随着浓度的不同,极化率这一被认为最可能是决定离子Hofmeister序列及离子特异性效应的变量其实一直在改变。这一发现为回答近年来在表面物理化学界一直争论的“究竟极化率是否是决定离子Hofmeister序列及离子特异性效应的关键因素”这一问题提供了重要的实验依据。人们沿着这一思路继续开展研究,必将揭露这一困扰物理化学家百年的难题。 这一成果近期发表在Nature Communications 上。马普Fritz Haber研究所的仝钰进课题组和复旦大学化学系的张颖课题组成功合作完成此课题。 该论文作者为:Yujin Tong, Igor Ying Zhang & R. Kramer Campen 原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文): Experimentally quantifying anion polarizability at the air/water interface Nat. Commun., 2018, 9, 1313, DOI: 10.1038/s48-x 仝钰进博士简介 仝钰进,马普学会Fritz Haber研究所课题组组长,本科和硕士就读于哈尔滨工业大学化学系;2010年于日本北海道大学催化研究中心取得理学博士学位,2011年在荷兰物质基础研究基金会AMOLF研究所进行短期博士后研究,2012年初加入马普学会Fritz Haber研究所并参与组建分子光谱研究小组,2018年初因在电化学和频振动光谱方向的突出成绩被任命为课题组长;研究领域为非线性光谱电化学,希望通过近年来发展的先进谱学技术,从本质上理解电化学界面上的电荷传递机理,进而推动基础电化学的发展。 德国马普学会Fritz Haber研究所物理化学系表面分子光谱课题组 仝钰进 课题组链接

  在淡水资源日益匮乏的今天,污水处理回用及海水脱盐是人类获取清洁水源的重要途径。正如大家所知,膜分离技术是实现上述过程的核心工具。然而,面对许多高浓度的工业废水或是盐水,一般的压力过滤膜也束手无策。这是因为高盐浓度的废水意味着高的渗透压,这使得过滤过程需要更高的压力差才能完成,这是目前的反渗透膜难以达到的。解决这一问题的办法很简单,那就是——膜蒸馏。 膜蒸馏是就是一个将膜与蒸馏相结合过程,在传统的膜蒸馏过程中,以疏水多孔膜作为屏障,分别在两次通过热的待分离原液与渗透液,以温度差所导致的渗透压差作为驱动力,水在一侧的界面处蒸发,水蒸气透过膜孔达到另一侧,再冷凝下来,从而实现分离过程。因此,热蒸发过程也成为处理高浓度废水的唯一途径。实际上,膜蒸馏并不是一个新的概念。这一技术发展多年,已经从基础研究转向实际应用过程。不过,最近美国加州大学河滨分校David Jassby等人在Nature Nanotechonology 上发表了一篇与之相关的研究工作,让老树开出了新花。 图片来源:Nature Nanotech. 本文研究者抓住了膜蒸馏中的一个关键问题:如何保持膜两侧较高的温度差(即驱动力)?他们想到的办法是:在膜的蒸发一侧安一个加热器,而这层加热器由碳纳米管所组成。其加热原理为焦耳加热,即电流通过导体时因电阻所引起的发热现象。 常规(a)和带碳纳米管加热器(b)的膜蒸馏过程。图片来源:Nature Nanotech. 不过,基于碳纳米管的焦耳加热器通常不能用于电离度高以及腐蚀性的环境中,而作者所关注的恰恰是这样的环境,因此首先要解决的问题是如何保证碳纳米管加热器不被腐蚀。他们通过层层喷涂法将碳纳米管与聚乙烯醇(PVA)分别喷涂在疏水多孔膜的表面。在焦耳加热器工作的时候,由于碳纳米管的电阻更小,因此在施加电压下其表面会形成双电层,饱和充电的双电层会引起碳纳米管的电氧化降解。为了解决这一问题,作者采取了高频交流电来抑制双电层饱和。结果表明,在高于100 Hz的频率下,该加热器能在100 g/L的溶液中,以20 V的电压稳定工作。 碳纳米管-聚乙烯醇膜的SEM图像。图片来源:Nature Nanotech. 这种自加热的膜在1.5 mm/s的流速下纯水的回收率可达12.3%,比传统的膜蒸馏组件的理论最大值还高。当然,这样的组件也存在问题,比如能耗非常高,这个问题可以通过搭建规模化的设备得以缓解。当然,也可以通过结合其他的加热方式得以解决,比如利用太阳能进行光热转换(Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201603504,点击阅读详细)。不过,这项工作还是为新型膜蒸馏组件的设计提供了一条不错的新思路。 原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文): Frequency-dependent stability of CNT Joule heaters in ionizable media and desalination processes Nature Nanotech., 2017, 12, 557-563, DOI: 10.1038/nnano.2017.102 (本文由YHC供稿)

  纳米通道在限域空间内具有独特的离子运输性质,因此在能源领域具有广阔的应用前景。如何提高纳米通道中能源利用的效率一直是研究的热点。近日,厦门大学的侯旭(点击查看介绍)团队对纳米通道界面的设计在能源领域方面的应用进行了展望。 纳米通道表面与液体的相互作用可以调控离子的运输性能,进而影响能源的利用效率。因此纳米通道界面的物理化学性质在能源利用中扮演着重要的角色。界面设计是提高纳米通道中能源转换、能源节约、能源回收效率的重要手段之一。在能源转换方面,动电效应、盐差效应和光电能量转换是基于双电层中离子输运性能,将其他能量转换为电能的能量转换系统。对纳米通道表面的物理化学性质进行改性可以调节其表面的电荷密度和有效孔径,进而影响能量转换效率。例如,修饰有响应性分子的纳米通道中,分子在外界刺激下发生构型变化,从而改变通道的有效孔径。在能源节约方面,构建滑移界面和引入液体门控概念有助于能源节约。孔道内部以及表面填充的门控液体阻挡输运液体与孔道固体界面的接触,避免因孔道堵塞而造成能量消耗,提高节能效果。功能性的门控液体响应于外界刺激,使液体重新分布,可以实现纳米通道的智能开关。除此之外,液体门控弹性纳米通道系统可以通过简单的机械力实现纳米通道界面的动态变化,更有利于物质运输和多相分离。在海水脱盐电容去离子化系统中,离子交换膜与盐溶液界面的物理化学性质会影响能量的储存,因此界面的最优化设计将提高能源的回收效率。界面设计是提高纳米通道能源利用效率、推动其实际应用的有效手段。纳米通道功能化方法包括仿生界面、动态液液界面以及对称/非对称界面等,又为界面设计提供了众多的选择。 该工作以“Interface Design of Nanochannels for Energy Utilization”为题作为展望性论文发表在ACS Nano 上,文章的第一作者是厦门大学的硕士研究生朱颖琳和博士后詹侃博士。 该论文作者为:Yinglin Zhu, Kan Zhan, and Xu Hou 原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文): Interface Design of Nanochannels for Energy Utilization ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.7b07923 侯旭教授简介 侯旭,厦门大学化学化工学院和物理科学与技术学院双聘教授,2011年于国家纳米科学中心取得博士学位,2012年至2015年在美国哈佛大学从事博士后研究,2015年10月起就职于厦门大学。 侯旭的研究兴趣是界面科学、高分子材料、薄膜科学与技术、多尺度孔道系统、微流控、仿生智能材料、传感器、电化学等,近五年共发表学术论文25篇,其中以第一/通讯作者身份在国际著名学术期刊如Nature、Nat. Rev. Mater.、Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Nano Today 等发表论文15篇,并出版2本学术著作。 侯旭 课题组主页

  水与能源是一对冤家,无论是污水处理还是海水脱盐往往都需要消耗能量,而许多能源设备的运转又需要水的参与(比如冷却设备),同时获取干净水源与清洁能源是科学家们梦寐以求的目标之一。来自澳大利亚新南威尔士大学的Vicki Chen教授和侯经纬(Jingwei Hou)博士等人近期在Angew. Chem. Int. Ed. 杂志上发表了一项研究成果,他们成功利用了漆酶(laccase)降解有机污染物过程中的酶分子内电子转移过程实现了持续的电能输出,将污水中有机污染物作为“燃料”,同时实现了污水处理与发电过程。论文第一作者为Vicki Chen教授课题组博士生纪超(Chao Ji)。 事实上,酶燃料电池并不是一个新鲜的概念。酶催化的氧化还原反应都涉及电子的转移过程,因此,将不同的酶分别固定在阴极与阳极,两极分别发生氧化和还原过程,将电子转移过程转化为电能。不过,大部分的酶燃料电池需要两种不同的酶来实现这一过程。本文的作者们发现,在氧化还原酶的催化过程中,电子转移过程在单一酶中完成,也就是说,催化过程中酶自身就像是一个小的电池,只是缺乏手段将这些分子内的电子转移过程转化为电流。 受此启发,他们选择了一种常见且高效的氧化还原酶——漆酶作为电极的固定酶,双酚A(BPA)作为电池燃料,构建了仅有一种酶的燃料电池。需要指出的是,漆酶经常被用于染料及其他有害物质的降解过程,而BPA也是一种常见的水体污染物。实现氧化与还原过程分离的关键在于电池的设计。他们用一张质子交换膜将电池隔离成两半,一半通入氧气(正极液),另一半则通入氮气(负极液),漆酶则被固定在具有高比表面积和导电性的碳纳米管后再复合到碳毡上,用导线相连。然后,将BPA加入到负极液中。此时,BPA在负极漆酶的T1位点被氧化,电子通过漆酶传输到碳纳米管,再通过导线传输到另一边的正极,再在正极处漆酶的T2/T3位点参与氧气的还原反应。 单酶燃料电池的工作原理。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed. 这样的电池效率如何呢?在浓度为0.5 mM的BPA下,电压的峰值达到0.12 V,最大能量密度则为160 mW•m-2。同时,在闭合电路下,酶在12小时左右即可完成对98% BPA的降解。 不同条件下的能量效率以及污水处理效率。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed. 值得一提的是,这样的设计具有普适性,辣根过氧化物酶、甲酸脱氢酶、葡萄糖氧化酶,均能实现这样的单酶燃料电池。 这项研究首次表明,将单一氧化还原酶中的电子转移过程提取出来是有可能的。不仅如此,作者们利用同样的概念可通过甲酸脱氢酶将CO2生物转化为甲酸并同时发电,即实现了CO2的固定又能产生能源,这在未来也具有很大的应用前景。 当然,这样的电池能量密度较低,目前只是处于概念阶段,但是它们却为未来设计更为高效环保的新型生物电池提供了可能的思路。 原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文): Single-Enzyme Biofuel Cells Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 9762-9766, DOI: 10.1002/anie.201703980 (本文由YHC供稿)

  注:文末有研究团队简介 及本文科研思路分析 树是自然界中最丰富的植物之一。经过千万年的自然选择,它们是最权威的水吸取输运专家,可以从数米甚至数十米的地底下把水抽取到树干和树叶。但是,它们吸收的水分只是满足自己需要,多余的水分通过蒸腾作用排放到大气中,总体上效率并不高。那么,能不能利用树木的独特的水输运本领,提高其蒸腾作用的效率,并把水收集起来满足淡水匮乏的地区的日常饮用呢?近日,美国马里兰大学胡良兵教授(点击查看介绍)和Siddhartha Das教授(点击查看介绍)(共同通讯作者)等受到树结构的启发,设计了独特的双层结构,利用天然木材制备了高性能的饮用水制备器件。 图1. 双层结构木材作为廉价、可扩展、高效的太阳能海水淡化材料的示意图. a)大树将水从地面传输到树顶以维持蒸腾作用的示意图;b)受大树启发设计双层木质结构插图;c)提取不同环境的淡水:地下水(沙子或土壤中)和海水。 目前光热取水是一种重要的饮用淡水分布式制取的手段。通过吸收太阳光的能量,把水变成水蒸气,然后把水蒸气冷凝收集成为可饮用的淡水。光热取水可以实现海水的高度淡化、把污水变成饮用水。然而,这些方法的前提是必须找到地面的肉眼可以看见的水源。实际上,大量的水隐藏在地表,如潮湿的土壤、沙漠等等。如果能把这些水抽取纯化,将很大程度上突破水源的限制,甚至实现随地取水。 这种树启发的光热取水材料实现了地下水的抽取和纯化。以木材为原料,基于独特的双层结构设计,一方面保持树的独特的水输运能力,另一方面通过表面的碳化增强光吸收和光热转换能力,提高光热的效率。上层结构负责光的捕获,下层结构是天然的水输运材料,其两层间的无缝连接保持了光捕获和水输运部分的管腔的贯通,实现了不破坏管腔微结构的连接。这种无缝连接的结构具有独特的优势:快速的水输运、较高光吸收(≈99%)。特别在海水淡化应用中,高效的离子扩散效率大大降低了盐分的析出。在实验中,通过高倍率聚光实现盐晶体的析出,在停止光照后数分钟内即溶解扩散到外部海水中。这种独特的能力源于木材的独特的微结构,具有很好的实际应用价值。 图2. 双层结构木材用于实际水提取的效果、可扩展性和海水脱盐效果. a)10个太阳照射下的水汽效果;b)由较小的双层木块组装成的22 cm×18 cm双层木,展示了其可扩展大小的能力;c)脱盐前后海水中四种代表性基本离子浓度比较。 这种受树启发基于天然木材的纯净水制取材料,利用太阳能光热蒸发,为从海水、沙滩和土壤提取水提供了一种实用的解决方案,能够向偏远或灾区提供必需的清洁水。全木设计为光热获取清洁水提供了廉价、高效、长寿命的材料。 这一成果发表在近期的Advanced Materials 上。 该论文作者为:Mingwei Zhu, Yiju Li, Guang Chen, Feng Jiang, Zhi Yang, Xiaoguang Luo, Yanbin Wang, Steven D. Lacey, Jiaqi Dai, Chengwei Wang, Chao Jia, Jiayu Wan, Yonggang Yao, Amy Gong, Bao Yang, Zongfu Yu, Siddhartha Das, Liangbing Hu 原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文): Tree-Inspired Design for High-Efficiency Water Extraction Adv. Mater., 2017, 29, 1704107, DOI: 10.1002/adma.201704107 胡良兵博士简介 Liangbing Hu(胡良兵):美国马里兰大学科利奇帕克分校材料科学与工程系副教授,博士生导师,先进材料与纺织中心主任(CAPT)。2017年获得纳米科技杰出青年研究者奖和海军杰出青年研究奖,2016年获得ACS能源和石油分会杰出研究奖和杰出青年工程师,2015年获得马里兰大学杰出学者浆和3M分享工程奖,2014年获得马里兰杰出青年工程师和马里兰物理科学发明奖等。已在Nature Materials, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Chemical Review, Nano Letters 等顶级英文期刊上发表学术论文200余篇,被引用超过15,000次。国际会议特邀报告70多次。他主要从事木材纤维基的纳米纤维和纳米微晶的研究;重点研究纳米纤维素在光学和电学方面的应用和高性能低成本新能源器件。 胡良兵 科研思路分析 Q:这项研究的想法是怎么产生的? A:在全球生活水平不断提高的今天,很多地方依然严重缺乏饮用水。我们希望能够提供一种分布式的解决方案,廉价高效地向家庭或个体提供清洁水。光热净水是一种切实的解决方案。在我们对树的微结构的了解越深入,越认识到自然界的神奇和伟大。因此,我们基于树的天然水输运结构,设计了高效光吸收的双层结构,实现高效、廉价、实用的水处理解决方案。 Q:这项研究遇到的挑战有哪些? A:首先是技术的挑战,如何实现双层结构且不能破坏木材原始的管道微结构。其次是机理的解释。木材是一种非常精巧的结构,其中有微米的管道,也有纳米的管道。这些管道微结构与光吸收、光热转换、流体输运、液气相变等等,是非常复杂的关联关系。 Q:这项研究成果的应用前景? A:对于这种全木设计的清洁水制取装置,其性能好、耐老化、寿命长、成本低,而且环境友好,具有非常好的应用前景。

  随着人口快速增长以及农业与工业的不断发展,再加上人类的不合理利用,地球上可直接利用的淡水资源越来越匮乏,因此人们希望通过海水淡化、污水清洁处理来解决这一问题。利用可再生清洁能源——太阳能,通过光热转化进行太阳能驱动的水蒸发,是实现海水淡化的有效途径之一。然而,现有太阳能驱动水蒸发产生清洁水的速率十分有限。将该技术迈向实用的关键技术是研发低成本、高效、稳定的光热转化水蒸发材料。 氮掺杂碳材料由于其极强的光吸收能力、低成本、较大的比表面积、超强的抗氧化性能以及可调控的孔结构等特点,是一种理想的太阳能海水淡化材料。目前,将粉末碳材料与聚合物粘合剂混合包覆在疏水的基地上是制备界面光热转化碳基薄膜的成熟工艺。但是,这一工艺不但非常耗时,并且由于其缺乏理想的水传输的孔通道结构,造成海水蒸发速率比较低。因此,研发具有连续孔结构的疏水碳薄膜材料是解决这一问题的出发点。 鉴于此,南开大学化学学院王鸿研究员(点击查看介绍)课题组在前期工作的基础上(Nat. Commun., 2017, 8, 13592; Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 7847; ACS Nano, 2017, 11, 4358; Angew. Chem. Int. Ed, 2018, 57, 12360),通过对聚离子液体的结构调控首先合成了一系列不同孔径的聚电解质多孔膜。 图1. 不同孔径的聚电解质多孔膜 进一步地,通过真空碳化技术,制备了孔径可精确调控的大面积氮掺杂多孔碳基薄膜。 图2. 一步真空碳化制备大面积杂原子掺杂多孔碳膜 由于多孔碳膜材料表面较强的疏水性,它可以直接漂浮于水和空气的界面进行太阳能驱动的界面海水淡化。其大孔、介孔、微孔组成的多级孔结构可以有效的作为水传输通道加速海水蒸发速率。在优化的条件下,可实现1.01 kg m-2h-1 的水蒸发速率,相应的太阳能效应利用效率为74.69%。 图3.海水碳化装置及多孔碳膜的数码照片 此外,氮原子掺杂的碳膜材料有着非常高的抗化学腐蚀性和氧化性,展现出很大的应用的潜力。 图4. 抗氧化性能测试 该研究成果发表在ACS Nano 上。 该论文作者为:Yue Shao, Zhiping Jiang, Yunjing Zhang, Tongzhou Wang, Peng Zhao, Zhe Zhang, Jiayin Yuan, Hong Wang 原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文): All-Poly(ionic liquid) Membrane-Derived Porous Carbon Membranes: Scalable Synthesis and Application for Photothermal Conversion in Seawater Desalination ACS Nano, 2018, 12, 11704–11710, DOI: 10.1021/acsnano.8b07526 王鸿研究员简介 王鸿,南开大学化学学院特聘研究员,博士研究生导师。2013年博士毕业于复旦大学先进材料实验室,曾先后在香港科技大学、阿卜杜拉国王科技大学、德国马普胶体与界面研究所和加拿大多伦多大学做访问学者和博士后研究,2017年加入南开大学化学学院。 王鸿研究员围绕着聚离子液体功能材料展开研究,在纳米凝胶、固体电解质、多孔碳膜等方面开展了一系列研究工作,取得了一系列创新性的研究成果,合计发表SCI论文40余篇,共被他人引用2300余次。第一作者和通讯作者论文12篇,如Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.(2篇)、Adv. Mater.(2篇)、ACS Nano(2篇)等。相关工作数十次被国内外同行专家在Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev. 和Adv. Mater. 等国际核心杂志的综述文章中予以介绍和评述,多次被国外科技媒体如Nature Middle East专题报道。申请国际专利1项,授权中国专利5项。所创建的离子液体共聚改性涤纶制备高性能聚酯的方法已成功的应用于工业生产,取得显著经济和社会效益。

  卤氧铋材料由于具有较窄的禁带宽度和表面丰富的氧空位,在可见光区具有较好的吸收能力,因而得到广泛的关注,在光催化领域具有较大的应用空间。加上其具有较高的导带位置,可用于光催化分解水、光/电催化二氧化碳还原、光/电催化固氮等,具有特殊纳米结构的卤氧铋材料值得进一步的发现与研究。 近日,广西大学可再生能源材料协同创新中心沈培康教授课题组的刘洋博士发现,在硝酸铋的水溶液中铋离子有自组装形成纳米棒的现象,并以此为线索,在一系列的温和实验条件下快速合成出了具有纳米花、六边纳米盘、纳米盒等形貌的材料。其中通过改变实验参数,他们发现在室温下12小时以内即可合成出超细多孔的Bi5O7X(X=Cl, Br, I)纳米管,且其具有相同的晶体结构,但由于卤素原子的不同,导致其在光吸收范围、导带位置、禁带宽度等方面有所不同。通过将超细多孔的Bi5O7X(X=Cl, Br, I)纳米管应用于光驱动的海水淡化,对比超细多孔Bi5O7X(X=Cl, Br, I)纳米管的海水淡化性能,Bi5O7I具有最好的吸附性能与稳定性。该工作为未来更加深入地研究铋系光催化材料以及简便的光驱去海水淡化方式提供了新的思路。 图1. 不同实验所合成出的铋系(a)纳米棒、(b)六边盘、(c)纳米盒子、(c)在纳米棒上诱导产生的纳米花、(e)纳米花、(f)纳米管的扫面电镜成像,(g)不同形貌及合成参数的简化示意图。 图2. 超细多孔Bi5O7I纳米管的(a)透射电镜成像,(b)高角环形暗场图,(c)高分辨的球差矫正透射电镜图及所对应的晶体结构,(d-h)所含元素的分布图。 图3.(a)Bi5O7X(X=Cl, Br, I)的简约差分电荷图,超细多孔Bi5O7X(X=Cl, Br, I)纳米管的(b)紫外漫反射吸收曲线、(c)能带结构,(g-j)Bi5O7X (X=Cl, Br, I)的切面差分电荷分布图。 图4.(a)超细多孔Bi5O7X(X=Cl, Br, I)纳米管的吸脱附盐离子的示意图,(b, c)海水淡化设计装置的示意图,(d)实验小试装置示意图。 图5.(a)盐水浓度与电阻率的标准曲线,(b)实验测得的超细多孔Bi5O7X (X=Cl, Br, I)纳米管海水淡化的时间与电阻率的关系,(c)从b图转化得到的吸附容量,(d)超细多孔Bi5O7X(X=Cl, Br, I)纳米管的稳定性。 该论文作者为:Yang Liu, Zheng Jiang, Xinyi Zhang and Pei Kang Shen 原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文): Ultrathin Porous Bi5O7 (X=Cl, Br, I) Nanotubes for Effective Solar Desalination J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 20037, DOI: 10.1039/c8ta07587e 导师介绍 沈培康

  地球上浩瀚的海洋为人类提供了丰富的水资源。如果能利用太阳能、风能等可再生能源发电,直接将海水通过电催化分解,就可以制备大量清洁燃料氢气,有助于缓解甚至解决目前的环境问题和能源问题。目前性能最好的电催化析氢反应(HER)催化剂是铂基催化剂,它们在酸性环境中表现出最好的催化性能。为了维持pH值稳定,海水要先进行淡化才能用于分解水制氢,这个过程要耗费大量的人力、物力和时间。此外,铂基催化剂成本高。因此,基于目前技术直接电解海水制氢的可行性不高。 加拿大多伦多大学的Edward H.Sargent教授课题组近期的成果为海水直接制氢点亮了希望。他们采用各向异性的表面掺杂策略(anisotropic surface doping strategy),将Ni和CrOx掺杂在Cu的表面,制备了中性环境中高效的HER催化剂。Ni和CrOx分别对H和OH具有强的结合能,并且它们的差值大,促进了水分子的解离。Cu对H具有弱的结合能,有利于H2的生成。这种催化剂表现出极高的催化性能,在pH为7的缓冲电解液中,当电流密度为10 mA cm-2时,过电位仅为48 mV。另外,Ni、Cu和Cr储量丰富,因此这种催化剂价格低廉。这项成果发表在Nature Energy上,有望取代目前主要用化石燃料制氢的方式,解决能源危机,抑制温室效应。 Edward H. Sargent教授。图片来源:University of Toronto 作者团队通过对比实验确定了催化性能最佳的催化剂是CrOx/Cu–Ni。他们将不同的金属氧化物分别沉积在Cu表面,发现CrOx对Cu的HER性能有显著增强的影响。然而,CrOx沉积在C表面,催化活性非常低,表明CrOx本身催化活性并不高。CrOx在CrOx/Cu催化剂中起到协同作用,这在CrOx/Cu催化剂除去CrOx后催化活性显著降低得到体现。为了进一步提高活性,他们在Cu表面掺杂Ni,然后再沉积CrOx得到CrOx/Cu–Ni,并确定了Cu和Ni的最佳摩尔比为1:2。CrOx和Ni在CrOx/Cu–Ni中起到协同作用。他们比较了CrOx/Cu–Ni和Cr、Ni、Cu共沉积得到的CrCuNiOx以及在CrOx表面沉积Cu–Ni得到的Cu–Ni/CrOx,发现CrOx/Cu–Ni的催化活性最高。这说明CrCuNi构型对HER催化活性产生了关键的影响。 CrOx/Cu–Ni的催化活性。图片来源:Nat. Energy 作者团队通过CrOx/Cu–Ni的XAFS图表征它的微观结构。Cr的XANES和EXAFS表明Cr以Cr2O3的形式存在。CrOx对Ni和Cu的局部结构有强烈的影响。对于Ni而言,XANES和EXAFS表明它被氧化。而Cu的XANES和EXAFS表明只有少量的Cu被氧化。总的来说,XAFS表明CrOx导致Cu和Ni被氧化。 CrOx/Cu–Ni的X射线吸收光谱。图片来源:Nat. Energy 作者团队对CrOx/Cu–Ni和Cu–Ni催化剂进行了超高线 torr 的条件下的AP-XPS测试。结果表明水分子在CrOx/Cu–Ni表面发生解离,并且CrOx促进水分子的解离。 CrOx/Cu–Ni和Cu–Ni催化剂的AP-XPS图。图片来源:Nat. Energy 作者团队通过DFT计算来探讨CrOx/Cu–Ni催化活性高的原因。H2在中性环境中的生成的关键步骤是水分子的解离。CrOx/Cu–Ni和另外三种催化剂(Cu、Cu–Ni、CrOx/Cu)相比,在这一步骤中的活化能最接近0,因此能迅速促进H2的生成。 CrOx/Cu–Ni的HER活化能的理论计算。图片来源:Nat. Energy 作者团队制备了三维的CrOx/Cu–Ni催化剂,并对它进行了表征。他们以泡沫铜作为载体,通过加热让CuO纳米线生长在载体上,然后将Ni和CrOx沉积在CuO纳米线上,得到三维的CrOx/Cu–Ni催化剂。高分辨率的SEM图表明纳米线的表面有纳米颗粒。元素分布图体现Cr、Ni、Cu 和O元素在该催化剂中均匀分布。 三维的CrOx/Cu–Ni催化剂的制备和表征。图片来源:Nat. Energy 三维的CrOx/Cu–Ni催化剂在pH为7的缓冲液里的HER中达到10 mA cm-2的电流密度仅需48 mV的过电位,塔菲尔斜率仅为64。这些数值都比高活性的铂基催化剂和其他被文献报道过的催化剂低,说明该催化剂具有出色的HER电催化活性。该催化剂的稳定性也很好,该催化剂的电流密度在1000次CV测试后只降低了一点点,在恒定电压的条件下基本不变。 三维的CrOx/Cu–Ni催化剂的电化学性能。图片来源:Nat. Energy 小结 作者团队报道的低成本的基于Ni和CrOx掺杂的Cu基电催化剂,与昂贵的铂基催化剂相比,表现出中性环境中较高的HER电催化性能,性价比较高。有了这种催化剂,海水不需淡化、直接制备大规模H2将指日可待,能源危机和温室效应的问题将有希望得到解决。 原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文): Multi-site electrocatalysts for hydrogen evolution in neutral media by destabilization of water molecules Nat. Energy, 2018, DOI: 10.1038/s4-8 (本文由幻影供稿)

  自第一次工业革命以来,人类社会的发展突飞猛进,但随之而来的能源与资源危机却与日俱增,以水资源为例,虽然地球表面百分之七十一的面积被水覆盖,然而可供人类以及大部分陆地生物使用的淡水资源却极为有限,仅占整体水量的百分之四。为了满足日益增长的水资源需求,多种科技被源源不断地引入到实际生产与生活中。海洋拥有百分之九十六以上的水资源储备,因此,有效利用海水资源,通过特定的技术与工艺对海水进行淡化处理,以满足日常的生产生活需求,无疑为解决淡水资源不足的严峻问题提供了有效出路。 目前应用最为广泛的海水淡化技术主要局限于蒸馏淡化和反渗透膜技术,然而两者均面临能源消耗大、设备维护成本高、产品价格昂贵等诸多缺点。低耗能、低成本、环境友好型海水淡化科技的需求与日俱增。太阳能可以被看作取之不尽、用之不竭的清洁能源,每天照射到地球上的太阳能相当于全世界一年的能量消耗。太阳光照导致的水蒸发提供了大气环境中90%的水汽,是生物圈中水循环极为重要的环节。人们可将太阳能转化为热能,促进海水的蒸发并收集蒸发产物,即可获得高品质、低价格的淡水资源。 为了获得更高的太阳光-热能转化效率,实现更高效的水蒸发性能,光热转化材料的选择和蒸发装置的设计尤为重要。二维过渡金属碳(氮)化物(Mxene)作为一种新兴的二维材料,其化学组成主要为过渡金属碳(氮)化物,因具有极为出色的电磁波吸收能力,在众多待选材料中脱颖而出。近日,阿卜杜拉国王科技大学海水淡化中心的王鹏教授(点击查看介绍)课题组成功地将MXene引入光热水蒸发中。 为了准确评估光热转化材料的能力,基于能量平衡这一原理的水滴实验用来测量不同光热材料的光能-热能转化效率。实验表明,MXene可以在维持高吸光率的条件下近乎百分之百地将吸收的光能转化为热能,而这一特点是优秀光热材料的必要条件之一。 图1. 测量材料光热转化能力的水滴实验示意图。 由于蒸发作用仅存在于水与空气的界面,以往的研究表明,将光热转化所得的能量限制在界面附近的区域可以大大提高能量利用率,增加光热水蒸发效率。在蒸发装置的设计上,耐腐蚀、高稳定性的聚偏二氟乙烯膜被选为基底,通过真空抽滤法将MXene光热转化材料层层堆叠在基底上,二维材料之间形成的微结构可作为水通道,通过毛细作用将下方的水源源不断抽送到蒸发表面。为了获得更高的蒸发效率,泡沫隔热层被固定在基底下方,使蒸发装置可以自由漂浮在水面上,并在液-气界面积聚热转化所得的能量,高效地促进海水蒸发淡化过程。通过合理的材料选择与设计,这一蒸发装置可以达到百分之八十四的太阳能-水蒸发转化效率,即每平方米光热膜每小时可产出约1.4千克淡水,而能耗却完全来自太阳能,可以称为真正意义上环境友好型的海水淡化工艺。 图2. MXene光热水蒸发的示意图。 这一成果近期发表在ACS Nano 上,文章的第一作者是博士生李任远。 该论文作者为:Renyuan Li, Lianbin Zhang, Le Shi and Peng Wang 原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文): MXene Ti3C2: An Effective 2D Light-to-Heat Conversion Material ACS Nano, 2017, 11, 3752, DOI: 10.1021/acsnano.6b08415 导师介绍 王鹏 课题组链接

  地球约有四分之三的面积被水覆盖着,但绝大部分是海水,与人类生活密切相关的淡水资源却极其缺乏。海水淡化是未来解决淡水资源问题的重要途径之一。传统的蒸馏以及反渗透膜过程是研究与应用最广泛的海水淡化技术。最近,通过光热转化来实现海水蒸馏的研究炙手可热,从Nature子刊到Advanced Materials系列期刊都常常能看到。这不,Advanced Materials近期又刊发了一篇与此相关的论文,在这项工作中,意大利卡拉布里亚大学的Efrem Curcio教授课题组将传统的膜蒸馏技术与光热转化结合在了一起。想知道它们在一起碰撞出了哪些新的火花吗?今天小编就带大家一起来读一读这篇大作。(Photothermal Membrane Distillation for Seawater Desalination. Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201603504) 事实上,膜蒸馏可以算的上是一个比较“古老”的研究课题了,它将膜过程与蒸馏过程结合起来,以膜两侧的温度差(即蒸汽压差)为驱动力,让料液在膜表面蒸发,蒸汽通过膜孔,在另一侧冷凝,从而实现蒸馏过程。从上述过程中可以看出,温度差作为分离的驱动力至关重要,而在膜蒸馏过程中,“温差极化”现象是影响其性能的主要因素之一。所谓“温差极化”,是指在膜蒸馏过程中,由于料液会在膜表面蒸发,因此需要吸收大量的热量,导致在膜表面处的温度要低于本体的温度,即实际驱动力有所降低。 温差极化及银纳米粒子作用示意图。图片来源:Adv. Mater. 为了解决这一问题,Curcio教授课题组的研究人员将上面提到的光热转化过程应用到膜蒸馏之中。他们将银纳米粒子(Ag NPs)掺杂在聚偏氟乙烯(PVDF)膜中,通过Ag NPs的等离子体共振光热效应提高了边界层的温度,有效提升了界面处的膜蒸馏驱动力。 减少纳米粒子的尺寸能够提高纳米粒子表面的温度,但同时会减小吸收面积。通过对纳米粒子热效应的综合考虑,他们计算出粒径在25-35 nm的纳米粒子较为适宜(他们制备的纳米粒子为31±4 nm)。然后,他们将纳米粒子掺杂在铸膜液中,通过非溶剂致相分离过程制备了Ag NPs掺杂的复合膜。 含Ag NPs的聚偏氟乙烯膜。图片来源:Adv. Mater. 与之前所报道的光热转化用于海水蒸发不同,在这份工作中,膜被安置在了装置的下方,料液在膜的上方通过,而紫外光则是通过料液上方的透明石英视窗照入装置中。另一方面,研究者选择了VMD,即真空膜蒸馏过程(在VMD过程中,膜的一侧通过高温料液,另一侧则为真空)。 VMD实验装置。图片来源:Adv. Mater. 膜蒸馏过程在30 ℃下进行。在紫外光照射下,装置内的温度会有所上升(约2.5 ℃),当使用负载Ag NPs的膜时,则温度会进一步上升约2 ℃左右。相较于空白膜,负载了纳米粒子的膜的过膜通量提高了9-11倍。传统的膜蒸馏过程中,料液本体温度要高于膜表面的温度,而在这份工作中,膜表面温度则远高于本体温度,从而解决了温差极化现象。光热转化产生的热量是纯水蒸发所需潜热的1.7倍,对于盐水则是两倍。 膜温度及过膜通量与Ag NPs含量的关系。图片来源:Adv. Mater. 在能量消耗方面,真空膜蒸馏装置相较于反渗透装置低25%。实验中所展示的概念中用到了紫外光灯,因此能耗较大。不过,通过对上述过程的改进,有望将这一过程应用到太阳光的膜蒸馏过程之中。 (本文由YHC供稿) 问题讨论 有哪些光热体系可能与膜蒸馏结合,将其应用到太阳能的海水淡化过程之中? 上述装置无法避免光在透过溶液时的能量损失,如何设计装置可以充分利用太阳光? 下方留言评论,参加讨论

  【4月9日】谷歌2018博士生奖研金出炉,八位入选华人学生均毕业于国内高校 日前,2018 年的 Google PhD Fellowship(北美、欧洲、中东地区)评选名单出炉,共有 39 名博士生入选,其中8位华人。 Google 博士研究生项目成立于 2009 年,以表彰在计算机科学及相关学科表现优异的博士生,至今已有 9 年,该项目目前已经支持了数百名优秀博士生,有的已经成为教师、行业研究员、创业者或企业家。 八位入选华人分别是:Yuan Deng,杜克大学,入选领域:算法、优化及市场,本科就读于清华大学姚班。Lin Chen,耶鲁大学,入选领域:机器学习,2014 年硕士毕业于北京大学。QianYu,南加州大学,入选领域:机器学习,2010 年-2011 年硕士就读清华电子工程。ShuangLiu,加州大学圣地亚哥分校,入选领域:机器学习,本科毕业于上海交通大学计算机科学。XinchenYan,密歇根大学,入选领域:机器学习,本科毕业上海交通大学计算机科学。Shilin Zhu,加州大学圣地亚哥分校,入选领域:移动计算,2016 年硕士毕业于中国科学技术大学电气工程与信息科学系。Yang Liu,爱丁堡大学,入选领域:自然语言处理,2016 年硕士毕业于北京大学。Lingjiao Chen,威斯康辛大学,入选领域:结构化数据和数据库管理,本科毕业于东南大学吴健雄学院。 获奖完整名单 【4月8日】中国核电材料试验标准步入国际前沿 近日,中国科学院金属研究所发布消息称,由该所与中科院核用材料与安全评价重点实验室牵头编制的4项高温高压水环境下的核电材料试验标准正式发布。 据介绍,中国核学会发布的标准分为4类共9项。其中,试验方法类标准首批发布4项,包括《核电厂金属材料高温高压水中划伤再钝化试验方法》《核电厂金属材料高温高压水腐蚀疲劳试验方法》《核电厂金属材料高温高压水中应力腐蚀裂纹扩展试验方法》和《核电厂金属材料高温高压水中电化学试验方法》。 中国核电材料试验标准具有先进性、科学性、指导性和可操作性,填补了国际上该领域的标准空白,为核电作为国家名片“走出去”提供了科技支撑,具有非常重要的意义。 【4月8日】中国科研人员用冷冻电镜重构复杂疱疹病毒 日前,中国科研团队采用冷冻电镜技术,在原子层面上重构了一种结构和功能极其复杂的疱疹病毒核衣壳,为后续研究病毒核衣壳在神经细胞中的运输提供了“精细化”结构基础。相关研究发表在最新一期美国《科学》杂志上,阐释了可引起生殖器疱疹的“单纯疱疹病毒-2”核衣壳的早期组装机制。 疱疹病毒直径约为150纳米至200纳米,保护病毒基因的核衣壳包含约4000个蛋白组分,尺寸巨大、成分复杂,且自身结构具有一定“柔性”,在纯化过程中容易造成颗粒局部微小形变。 论文通讯作者、中国科学院生物物理研究所研究员王祥喜介绍说,他们对导致欠焦量差异的物理效应进行矫正,还把单个“单纯疱疹病毒-2”颗粒分成了240个亚单位,并进行分类和单颗粒重构,从而将冷冻电镜技术的分辨率提高到3.1埃。王祥喜表示,分辨率显著提升标志着冷冻电镜技术进入一个新时代,给超大病毒和亚细胞系水平上超大复合体的近原子分辨率重构带来了希望。 【4月8日】我国今年首次大范围试种海水稻,数亿亩盐碱地有望成粮仓海水稻,是我国育种专家通过杂交育种技术和常规育种方法选育出来的新型耐盐碱性水稻。近日,记者从青岛海水稻研究中心了解到,目前,海南南繁基地从上千份海水稻材料中,已挑选出176份优良品种,将在今年首次全国大范围试种。 青岛海水稻研发中心副主任张国栋表示,我国有约15亿亩盐碱地分布在大江南北,气候带、光照条件都不尽相同。今年将首次在全国五个主要类型的盐碱地上同时进行千亩片的试验示范,就是为了在不同的地质条件下,检验这176份海水稻材料的最终产量和品质。据悉,经过前期调研,我们全国15亿亩盐碱地当中,大概有2到3亿亩有改良成农田的潜力,分布在五大类型盐碱地,其中包括新疆的干旱半干旱地区,也包括东北的苏打冻土盐碱地,也包括黄河三角洲地区。 目前我国“海水稻”品种还处在研发培育阶段,在正式推广应用前仍需科研与观察。中国工程院院士袁隆平介绍,海水稻种植面积如果扩大到一亿亩,按最低产量计算(亩产300公斤),每年能增产300亿公斤,可以多养活8000万人口,相当于一个湖南省的年粮食总产量。 【4月8日】2020年广东建设海上风电装机容量超1200万千瓦 日前,广东省政府在中山市召开的全省推进海上风电建设工作现场会,《广东省海上风电发展规划(2017—2030年)(修编)》已获得国家能源局正式批复同意。按照《规划》,到2020年底前广东省要开工建设海上风电装机容量1200万千瓦以上,其中建成投产200万千瓦以上;到2030年底前建成约3000万千瓦。 作为经济大省的广东,同时也是能源消费大省。数据显示,2017年全省规模以上工业综合能源消费量超1.5亿吨标准煤,同比增长7.2%,增幅同比提高4.5个百分点。与此同时,广东省能源结构仍以化石能源为主,化石能源消耗所排放的温室气体和污染气体更是成为影响空气质量的重要因素。 省发展改革委主任葛长伟表示,海上风电是绿色、清洁能源,几乎没有污染物排放,以2030年建成3000万千瓦海上风电项目为例,替代相应规模的燃煤发电量相当于节约标煤2600万吨,相当于每年减少二氧化碳排放约6900万吨,对促进节能减排具有重要作用。 【4月4日】中国工程科技发展战略天津研究院成立 日前,中国工程院与天津市人民政府签署了共建中国工程科技发展战略天津研究院框架协议。中国工程院院长周济、党组书记李晓红,天津市委书记李鸿忠、市长张国清,张玉卓、张彦仲、张军、夏长亮、卢锡城、李伯虎、叶声华、刘永坚、陈立泉、王静康、彭苏萍、陈念念、钟登华、刘昌孝、郝希山、张伯礼、曹雪涛等19位院士出席。 周济表示,希望双方通过成立中国工程科技发展战略天津研究院,围绕天津市在发展、人才、创新三个方面的重大需求,组织广大院士专家开展战略研究与咨询服务,建成具有重要影响力的工程科技区域智库,以科学咨询支撑科学决策,以科学决策引领科学发展。 张国清表示,当前,天津正加快推进高质量发展,大力培育人工智能、生物医药等产业,推动传统产业智能化升级改造,双方合作领域广、发展空间大。希望在工程院的帮助下,高水平共建中国工程科技发展战略天津研究院等平台,举办好第二届世界智能大会,发挥院士高端智力资源优势,助力天津创新发展。

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