담수 부족은 사회 발전에 점점 더 심각한 과제가 되고 있습니다. 전 세계 인구의 29%가 안전한 식수 부족에 시달리고 있으며, 인구 증가와 환경 문제로 인해 깨끗한 물에 대한 수요는 여전히 증가하고 있습니다. 위생과 관련된 깨끗한 물은 현재 코로나바이러스 감염증(신코로나바이러스 폐렴) 발생 상황에서 특히 중요합니다. 태양열 물 증발은 햇빛만을 에너지원으로 사용하여 해수와 폐수에서 깨끗한 물을 생산하는 가장 유망한 기술 중 하나로 여겨집니다. 이 기술은 태양열 흡수체에 크게 의존하는데, 이 흡수체는 증발기 역할을 하여 태양열을 열로 변환하여 증기를 생성합니다. 높은 물 증발률과 태양열 변환 효율을 달성하기 위해 이상적인 소재는 넓은 범위의 태양 스펙트럼을 효율적으로 활용할 수 있는 넓은 흡수도 범위, 열 손실을 억제하는 낮은 열전도도, 그리고 효율적인 물 수송을 위한 3차원(XNUMXD) 다공성 채널을 가져야 합니다. 지금까지 과학자들은 탄소(예: 그래핀이나 탄소나노튜브), 폴리머, 금속 및 금속 산화물과 이들의 하이브리드 등을 기반으로 다양한 광열 소재를 개발해 왔습니다.
과학자들은 최근 몇 년 동안 많은 획기적인 발견을 이루기 위해 열심히 노력해 왔습니다. 최근 몇 년 동안 광열을 이용한 정수 생산 분야의 연구 진행 상황에 대한 여러 주제별 출판물을 통해 알아보겠습니다.
- 네이처 커뮤니케이션: 식물 잎에서 영감을 얻은 태양열 고효율 정수기
자연 관다발 식물의 잎은 삼투압 차이, 증산 작용 및 배설 작용을 이용하여 햇빛으로부터 엄청난 양의 깨끗한 물을 생산합니다. 이러한 원리에서 영감을 받아 칭화대학교 춘리 연구팀은 효율적인 물 정화 및 생산을 위한 햇빛 구동식 정수기를 개발했습니다. 이 햇빛 구동식 정수기는 초친수성 멜라민 폼 골격에 고정된 음의 온도 반응성 폴리(N-이소프로필아크릴아미드) 하이드로겔(PN)과 그 외부에 PNIPAm으로 개질된 그래핀(PG) 필터 멤브레인을 특징으로 합니다. 분자 동역학 시뮬레이션과 실험 결과는 비교적 단단한 멜라민 골격의 초친수성 특성이 PNPG-F 정수기의 팽창/수축 속도를 크게 가속화한다는 것을 보여주었습니다. 동일한 햇빛 강도 조건에서, 합리적으로 설계된 이 구조는 증발과 점적 첨가의 시너지 효과를 통해 염수 공급원으로부터 단일 PNPG-F를 사용하여 시간당 4.2kg/m²의 집수량과 99% 이상의 이온 제거율을 달성했습니다. 저자는 이 고효율 태양광 구동 시스템이 다양한 수처리 분야에 적용될 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있다고 전망합니다. 본 연구는 "식물 잎에서 영감을 받은 태양광 구동 정수기를 이용한 고효율 정수 생산"이라는 제목의 논문으로 네이처(Nature)의 하위 저널인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재되었습니다.
- 과학 발전: 태양열 수질 정화를 위한 빛을 흡수하는 하이드로젤의 고수화성 폴리머 네트워크
정수를 위한 태양열 물 증발은 담수 생산에 유망한 기술입니다. 그러나 태양열 증기 생성은 에너지 집약적이어서 자연광 하에서는 물 생산량이 낮습니다. 따라서 물 증발에 필요한 에너지 수요를 줄이고 태양열 물 정화를 가속화할 수 있는 새로운 소재 개발에 대한 필요성이 매우 높습니다. 미국 텍사스 오스틴의 Guihua Yu 교수 연구팀은 폴리비닐알코올과 키토산을 수화 골격으로, 폴리피롤을 광흡수체로 구성한 고수화 광흡수 하이드로젤(h-LAH)을 보고했습니다. 이 하이드로젤은 물 증발에 더 적은 에너지(물 부피의 50% 미만)를 사용할 수 있습니다. h-LAH의 수화 용량을 증가시키면 물의 상태를 변화시키고 물을 부분적으로 활성화시켜 물 증발을 촉진할 수 있음이 입증되었습니다. h-LAH는 3.6일 태양열에서 태양열 증기 생성량을 ~2 kg/m²/h라는 기록적인 속도로 증가시켰습니다. h-LAH 기반 태양열 물 증발은 복합 이온 오염물질에 대해 장기적인 내구성과 오염 방지 특성을 나타냈습니다. 이 연구는 Science 하위 저널인 "Science Advances"에 "식물 잎에서 영감을 얻은 태양광 기반 정수기를 이용한 고효율 정수 생산"이라는 제목의 논문으로 게재되었습니다.
- Angew: 광열수 증발을 위한 초친수성과 넓은 파장의 빛 흡수를 가진 COF 소재
다공성 유기 고분자의 고유한 소수성과 제한된 광 흡수, 특히 근적외선(NIR) 영역에서의 제한적인 광 흡수는 태양열 증기 발생(SSG)에서의 적용을 방해하는 두 가지 병목 현상입니다. 길림대학교의 Xiaoli Yan 연구진은 1,4,5,8 테트라키스(페닐아미노)안트라센-9,10-디온(TPAD)(TPAD-COF)을 기반으로 공유 결합 유기 골격(COF)을 개발했습니다. 이 물질은 초친수성과 UV/가시광선 NIR 영역 전체에서 SSG를 덮는 넓은 광 흡수를 특징으로 합니다. 첨가제가 없는 효율적인 광열 변환 물질인 TPAD-COF는 1.42 kg/m2/h의 우수한 수분 증발을 나타내며 94회 태양 강도 조사에서 2%의 높은 에너지 변환 효율을 달성합니다. 킬레이트화된 BF2 분자의 합성 후 변형을 통해 TPAD 기반 COF의 광 흡수 범위를 더욱 확장했습니다. 체계적인 제어 실험 및 분석을 통해 광열 변환 물질의 친수성이 광열 수분 증발에 사용되는 현재 TPAD 기반 COF에서 더욱 중요한 역할을 한다는 것이 확인되었습니다. "효율적인 태양열 증기 생성을 위한 광대역 흡수체로서의 초친수성 XNUMX차원 공유 결합 유기 골격체(SuperhydrophilicXNUMXD Covalent Organic Frameworks as Broadband Absorbers for Efficient Solar Steam Generation)"라는 제목의 이 연구는 최고 수준의 국제 학술지인 Angewise에 게재되었습니다. 이 연구는 최고 수준의 국제 학술지인 Angew. Chem. Int. Ed.에 게재되었습니다.
- JACS: 광열수 증발을 위한 친수성-소수성 이중 영역 COF/그래핀 하이드로젤
태양열 물 증발은 지구 물 부족 문제 해결에 도움이 될 수 있는 지속 가능한 수처리 기술입니다. 그러나 이 기술은 높은 에너지 소비와 낮은 물 증발률로 인해 큰 어려움에 직면해 있습니다. 독일 베를린 공과대학교의 아르네 토마스 교수 연구팀은 간단한 현장 성장 전략을 통해 하나의 재료에 친수성 영역과 소수성 영역을 모두 포함하는 공유 결합 유기 골격(COF)/그래핀 이중 영역 하이드로젤을 보고했습니다. 친수성 COF는 소수성 그래핀 영역의 일부를 덮습니다. 두 습윤 영역의 정밀한 제어를 통해, 이 하이브리드 하이드로젤은 효과적인 광 수확, 조절 가능한 습윤성, 최적화된 수분 함량, 그리고 물 증발에 필요한 에너지 감소를 보여줍니다. 태양열 흡수체로서, 이 이중 영역 하이드로젤은 3.69일광 조사(2kw/m²)당 최대 1kg/m²/h의 증기 생성률을 달성하며, 이는 다른 첨단 소재와 유사한 수준입니다. 또한, 이 하이드로겔 증발기는 해수와 하수로부터 식수를 생산하는 데 사용될 수 있어 수처리의 잠재력을 입증합니다. 이 연구는 최고 국제 학술지인 JACS에 "향상된 태양열 물 생성을 위한 공유 결합 유기 골격/그래핀 이중 영역 하이드로겔"이라는 제목으로 게재되었습니다.
- 과학 발전: 수련 잎 구조에서 영감을 받은 고효율 광열 물 증발기
최근 몇 년 동안 계면 태양 증기 발생 기술은 해수담수화 및 폐수 처리 분야에서 높은 에너지 변환 효율을 달성하는 데 큰 잠재력을 보여주었습니다. 그러나 태양열 흡수체에 파울링이나 염분이 축적되는 것은 피할 수 없어 높은 증발률을 유지할 수 없습니다. 용질 농도가 증가함에 따라 분해 속도가 가속화됩니다. 영어: 이 문제를 해결하기 위해 난징 대학의 Jia Zhu 교수 연구팀은 수련 잎의 구조에서 영감을 얻어 다단계 구조(수련에서 영감을 얻은 계층적 구조(WHS)) 광열-증기 변환 장치를 설계했습니다. 이 장치는 고농도 염수 80중량%와 폐수 10중량%를 처리할 때 30%의 광열 변환 효율을 달성할 수 있습니다. 고농도 염수와 폐수를 처리하는 동안 증발이 완료될 때까지(즉, "방류 없음") 광열 변환 효율이 크게 감소하지 않고 표면이 깨끗하게 유지된다는 점은 언급할 가치가 있습니다. 이 연구는 "고염도 염수의 안정적이고 효율적인 태양 증발을 위한 수련에서 영감을 얻은 계층적 디자인"이라는 제목으로 Science Advance에 게재되었습니다.
- 나노 에너지: 광열수 증발을 위한 이황화몰리브덴
디킨대학교 첨단소재연구소의 리펑 완(Lifeng Wan) 연구팀은 부분적인 결정 변환을 통해 태양열 물 증발용 전이 금속 이황화물(TMD)과 질소 함유 질화물 이종 구조를 개발했습니다. 특히, 이러한 첨단 2차원 이종 구조는 적외선 영역에서 향상된 스펙트럼 흡수율을 보이며, 물, 산, 염기 등 다양한 용액에서 우수한 화학적 안정성을 나타냅니다. 더욱 중요한 것은, 향상된 스펙트럼 흡수율과 감소된 열 손실 덕분에 MoS2-Mo5N6/ 멜라민 폼 (MF) 태양열 장치가 높은 증발 속도(2.31 kg m⁻²h⁻¹)와 변환 효율(106.6%)을 달성했다는 점입니다. 이는 MoS2/MF 및 MF/물 태양열 장치에 비해 각각 1.4배 및 4.7배 높은 수치입니다. 본 연구는 태양열 물 생산을 위한 우수한 광열 성능을 지닌 첨단 2차원-2차원 TMD-질소 함유 질화물 이종 구조를 제시합니다. 이 연구는 세계적인 학술지인 나노에너지(Nano Energy)에 "태양열 온수 생산을 위한 전이 금속 디칼코게나이드와 질소가 풍부한 질화물의 고급 2D-2D 이종 구조"라는 제목으로 게재되었습니다.
태양 광열 물 증발 기술은 전 세계적으로 깨끗한 물 부족 문제를 해결할 것으로 기대되며, 현재 해결해야 할 것은 광열 재료의 저렴한 제조, 고효율 운영, 그리고 실용적 응용 환경에서의 안정성과 휴대성입니다. 앞으로 전 인류에게 빠른 혜택을 가져다 줄 더 많은 성과가 기대됩니다!
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