스케일링된 염자성이 뛰어난 퀴노아 셀룰로오스 나노시트로 코팅된 탄소섬유

Jul 29, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 8777(2022) 이 기사 인용

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현재까지 해수 및 폐수 처리를 위해 다양한 태양열 구동 증발 기술이 개발되었지만 염분 오염 및 해수 단일 처리로 인한 위협이 있었습니다. 본 연구에서는 유기물 및 항생제로 오염된 물을 처리하기 위한 뛰어난 자정 성능과 우수한 정화 특성을 지닌 퀴노아 셀룰로오스 나노시트(CFQC)로 코팅된 탄소섬유로 구성된 다기능 증발기를 개발한다. 생성된 Zn-CFQC는 UV-Vis-NIR(200-2500nm) 범위에서 약 86.95%의 빛을 흡수할 수 있는 우수한 빛 대 열 성능을 나타냅니다. 따라서 Zn-CFQC의 습윤 표면 온도와 건조 표면 온도는 각각 62.1°C와 124.3°C로 유지되고, 1000Wm-2 조명 하에서 물이 증발하는 속도는 3.2kgm-2h-1로 유지됩니다. 이러한 우수한 광열 변환 능력은 주로 2차원 셀룰로오스로 장식되고 ZnCl2에 의해 활성화되는 탄소 섬유의 독특한 표면 미세 구조에 기인합니다. 또한 Zn-CFQC는 야간에도 우수한 염분 자동 세척 능력을 나타내며, 해당 메커니즘은 화학 전위 이론에 따라 간단하게 설명되었습니다. 탄소 섬유 처리 방법은 태양 에너지를 이용한 정수에 상업적 탄소 섬유를 활용하는 새로운 길을 열었습니다.

특히 외딴 지역에서의 에너지 및 깨끗한 물 부족 문제는 점점 더 심각한 문제가 되고 있으며 경제 및 사회 발전에 심각한 영향을 미칠 것입니다1,2. 현재 이러한 문제를 해결하기 위해 역방향 시스템6,7, 다단계 플래시8,9, 흡착 처리10, 작은 안개 수집2,11,12 및 인터페이스 태양열 보조 증발13,14과 같은 많은 기술이 제안되었습니다3,4,5 태양열 보조 증발은 경제적이며 쉬운 작동, 재생 가능 에너지원, 지속 가능성 및 환경 친화성으로 인해 해수를 처리하여 담수 부족 문제를 해결하는 유망한 전략으로 간주됩니다15,16. 계면 증발의 가장 큰 장점은 태양에너지 활용 효율이 높다는 점이며, 이는 벌크 물과 작업 인터페이스 사이의 단열 폼을 통해 벌크 물로의 열 손실을 획기적으로 억제하여 에너지 관리가 뛰어나고, 광-폴리머의 친수성 특성으로 인한 우수한 물 관리에 기인합니다. 열 변환 재료13,17,18,19. 결과적으로 관련 분야 연구에 많은 과학자들이 참여하고 있으며 다양한 종류의 광열 변환 재료가 성공적으로 개발되었습니다20,21. 그러나 가장 많이 보고된 재료는 염 오염에 대한 취약성, 복잡한 제조 공정, 규모 확대의 어려움 등의 단점으로 인해 실제 응용 분야의 발전을 심각하게 방해하고 있습니다. 따라서, 쉬운 확장, 내염성, 장기 안정성 및 다기능 현장 활용을 갖춘 광열 재료를 설계하고 제조하는 것이 태양광 보조 증발 개발을 위해 시급하고 중요합니다.

태양열 보조 증발을 위한 많은 후보 물질이 있으며 그 중 많은 것들은 플라즈몬 물질22,23, 반도체24,25, 탄소 기반 물질26,27,28 및 폴리머2,21,29,30과 같은 실제 응용에 대한 큰 유망한 전망을 가지고 있습니다. . 또한 원자층 증착(ALD)31 기술, Janus 재료 제조 기술30,32,33,36과 같은 물 증발 효율을 높이기 위해 태양열 증기 발생 분야에 몇 가지 새로운 첨단 기술이 도입되었습니다31,32,33,34,36 , 압전 및 태양열 증기 시너지 기술35,37 및 태양광 및 태양열 증기 발생 시너지 기술23,38. 광열변환재료 중 탄소재료는 우수한 화학적 안정성, 열적 안정성, 태양광의 광대역 흡수, 자연 및 산업용품의 광범위한 공급원으로 인해 큰 관심을 끌고 있습니다13,39,40,41. “가벼우면서도 강한” 성능을 지닌 상용제품인 탄소섬유(CF)는 저밀도, 뛰어난 기계적 물성, 내식성, 크리프 저항성, 화학적 안정성, 우수한 열 전도성, 특히 햇빛 흡수성이 우수합니다42,43,44,45. CF의 많은 장점에도 불구하고, 표면의 친수성은 극성 작용기가 없기 때문에 태양광 보조 증발에 직접 활용하기에는 친수성이 너무 낮습니다. 수증기 증발용 탄소섬유의 친수성을 향상시키기 위해 질산 처리47, 플라즈마 처리48, 수열법46, 그래핀 코팅49 등 많은 노력이 이루어져 왔다. 이러한 기술은 좋은 결과를 얻었지만 재료 제조 방법이 너무 복잡하고 비용이 많이 들어 널리 활용하기에는 어렵습니다. 따라서 CF의 친수성을 향상시키고 태양열 보조 정수를 활용하는 새로운 방법을 활용하는 것이 중요합니다.