淡水不足は、社会発展にとってますます深刻な課題となっています。世界人口の29%が安全な飲料水を得られていないと報告されており、人口増加と環境問題により清潔な水の需要は依然として高まっています。衛生に関連する清潔な水は、現在発生している新型コロナウイルス感染症（ネオコロナウイルス肺炎）の状況において特に重要です。太陽光発電による水蒸発は、太陽光を唯一のエネルギー入力として海水や廃水から清潔な水を生成する最も有望な技術の一つと考えられています。この技術は、太陽エネルギーを熱に変換して蒸気を生成する蒸発器として機能する太陽光吸収体に大きく依存しています。高い水蒸発率と太陽熱変換効率を達成するには、太陽光スペクトルの大部分を効率的に利用するために幅広い吸収率、熱損失を抑制するための低い熱伝導率、および効率的な水輸送のための3次元（XNUMXD）多孔質チャネルを備えた理想的な材料である必要があります。これまで、科学者たちは炭素（グラフェンやカーボンナノチューブなど）、ポリマー、金属、金属酸化物、それらのハイブリッドなどをベースにしたさまざまな光熱材料を開発してきました。
近年、科学者たちは懸命に研究を重ね、多くの進歩を遂げてきました。そこで、近年の光熱浄水生成に関する研究の進歩について、いくつかの話題の出版物から学んでみましょう。
- Nature Communications：植物の葉からヒントを得た太陽光発電の高効率浄水器
天然の維管束植物の葉は、浸透圧の差、蒸散、排泄を利用して、太陽光を動力源として大量のきれいな水を生成します。これに着想を得て、清華大学のChun Li研究室の研究者らは、効率的な水の浄化と生産のための太陽光駆動型浄水器を報告しました。この太陽光駆動型浄水器は、超親水性のメラミンフォーム骨格に固定された負の温度応答性ポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)ヒドロゲル(PN)を特徴とし、外側はPNIPAm修飾グラフェン(PG)フィルター膜で覆われています。分子動力学シミュレーションと実験結果から、比較的剛性の高いメラミン骨格の超親水性がPNPG-F浄水器の膨潤/収縮速度を大幅に加速することが示されました。同じ太陽光照射強度下において、この合理的に設計された構造は、蒸発と滴下添加の相乗効果により、単一のPNPG-Fを塩水供給から4.2 kg/m2/hの収集量と99%以上のイオン除去率を実現しました。著者は、この高効率な太陽光駆動システムが様々な水処理用途において大きな可能性を秘めていると考えています。この研究は、「植物の葉にヒントを得た太陽光駆動型浄水器による高効率浄水生産」というタイトルの論文として、Nature誌のサブジャーナルであるNature Communicationsに掲載されました。
- 科学の進歩：太陽光浄水のための光吸収ハイドロゲルの高水和性ポリマーネットワーク
浄水のための太陽熱水蒸発は、淡水生産の有望な技術です。しかし、太陽熱による蒸気生成はエネルギー集約型であるため、自然光下では水生産量が少なくなります。そのため、水蒸発のエネルギー需要を減らし、太陽熱浄水を促進する新しい材料の開発が強く求められています。米国テキサス州オースティンの Guihua Yu 教授のグループは、水和骨格としてポリビニルアルコールとキトサン、光吸収剤としてポリピロールを使用した、高水和光吸収ハイドロゲル (h-LAH) を報告しました。これにより、水の蒸発に必要なエネルギー (水の体積の 50% 未満) が少なくなります。h-LAH の水和能力を高めることで、水の状態を変えて水を部分的に活性化し、それによって水の蒸発を促進できることが実証されました。h-LAH によって、太陽蒸気生成量が 3.6 日あたり約 2 kg/m1/h という記録的な速度まで増加しました。 h-LAHをベースとした太陽光水蒸発法は、複雑なイオン性汚染物質に対する長期的な耐久性と防汚性も示しました。この研究は、「植物の葉に着想を得た太陽光駆動型浄水器による高効率浄水生成」と題された論文として、サイエンス誌のサブジャーナル「Science Advances」に掲載されました。
- Angew: 光熱水分蒸発のための超親水性と広波長域光吸収性を備えたCOF材料
多孔質有機ポリマーの固有の疎水性と、特に近赤外（NIR）領域における光吸収の限界は、太陽熱蒸気発生（SSG）への応用を妨げる1,4,5,8つのボトルネックとなっている。吉林大学のXiaoli Yanグループの研究者らは、9,10-テトラキス（フェニルアミノ）アントラセン-1.42-ジオン（TPAD）（TPAD-COF）に基づく共有結合性有機構造体（COF）を開発した。これは超親水性と、UV/可視NIR領域全体にわたるSSGをカバーする広い光吸収を特徴としている。TPAD-COFは、添加剤なしで効率的な光熱変換材料として、2 kg/m94/hという優れた水分蒸発率を示し、2太陽光強度照射下で2%という高いエネルギー変換効率を達成する。キレート化BFXNUMX分子の合成後修飾により、TPADベースのCOF光吸収範囲のさらなる拡大が達成された。体系的な制御実験と分析により、光熱水蒸発に使用されている現在のTPADベースのCOFにおいて、光熱変換材料の親水性がより重要な役割を果たすことが確認されました。「効率的な太陽光蒸気生成のための広帯域吸収体としての超親水性XNUMXD共有結合型有機構造体」と題されたこの研究論文は、一流の国際誌Angewiseに掲載されました。この研究は、一流の国際誌Angew. Chem. Int. Ed.に掲載されました。
- JACS: 光熱水分蒸発のための親水性・疎水性二重領域COF/グラフェンハイドロゲル
太陽熱による水蒸発は、地球規模の水不足の緩和に役立つ持続可能な水処理技術です。しかし、この技術は、水の蒸発におけるエネルギー消費量が多く、蒸発速度が低いという大きな課題に直面しています。ドイツのベルリン工科大学のArne Thomas教授のグループは、シンプルなin situ成長戦略により、3.69つの材料に親水性と疎水性の両方の領域を含む共有結合性有機構造体（COF）/グラフェン二重領域ハイドロゲルを報告しています。親水性のCOFが疎水性グラフェン領域の一部を覆っています。2つの濡れ領域を正確に制御することで、このハイブリッドハイドロゲルは、効果的な集光、調整可能な濡れ性、最適化された水分含有量、および水蒸発に必要なエネルギーの削減を示します。太陽光吸収体として、この二重領域ハイドロゲルは、1回の太陽光照射（1kw/m2）に対して最大XNUMXkg/mXNUMX/hの蒸気発生速度を達成し、これは他の先進材料に匹敵します。さらに、このハイドロゲル蒸発器は海水や下水から飲料水を生成するために使用でき、水処理の可能性を実証しています。この研究成果は、国際的にトップクラスのジャーナルであるJACSに「A Covalent Organic Framework/Graphene Dual-Region Hydrogel for Enhanced Solar-Driven Water Generation」（共有結合型有機フレームワーク/グラフェン二領域ハイドロゲルによる太陽光駆動型造水機能の強化）として掲載されました。
- 科学の進歩：スイレンの葉の構造にヒントを得た高効率光熱水蒸発器
近年、界面太陽熱蒸気生成は、淡水化や廃水処理において高いエネルギー変換効率を実現する上で大きな可能性を示しています。しかし、太陽光吸収体への汚れや塩分の蓄積は避けられないため、高い蒸発速度を維持することができません。また、溶質濃度が増加すると劣化が加速されます。この問題を解決するため、南京大学の Jia Zhu 教授のグループは、スイレンの葉の構造にヒントを得て、多段構造（スイレンにヒントを得た階層構造（WHS）の光熱蒸気変換装置）を設計しました。この装置は、80 wt%の高濃度塩水と10 wt%の廃水を処理する場合に、30%の光熱変換効率を達成できます。特筆すべきは、高濃度の塩水と廃水の処理中に、蒸発が完了する（つまり「ゼロ排出」する）まで光熱変換効率が大幅に低下せず、表面がきれいなままであることです。この研究は、「高塩分塩水の安定的かつ効率的な太陽熱蒸発のためのスイレンにヒントを得た階層設計」というタイトルで Science Advance に掲載されました。
- ナノエネルギー：光熱水蒸発用二硫化モリブデン
ディーキン大学先端材料研究所のLifeng Wan研究室の研究者らは、部分的な結晶変換による太陽光水蒸発のための遷移金属ジスルフィドと窒素リッチ窒化物ヘテロ構造を開発した。特に、これらの先進的な2Dヘテロ構造は、赤外線領域でのスペクトル吸収の向上と、水、酸、塩基などのさまざまな溶液中での優れた化学的安定性を示す。さらに重要なことに、スペクトル吸収強度の向上と熱損失の低減により、MoS2-Mo5N6/メラミンフォーム（MF）太陽熱デバイスは、高い蒸発速度（2.31 kg m-2h-1）と変換効率（106.6%）を示し、それぞれMoS2/MFおよびMF/水太陽熱デバイスの1.4倍および4.7倍となっている。本研究は、太陽光水生成のための優れた光熱性能を備えた、一連の先進的な2D-2D TMDs-窒素リッチ窒化物ヘテロ構造を提供する。本研究は、国際的な一流学術誌であるNano Energy誌に「太陽光による水生成のための遷移金属ジカルコゲナイドと窒素リッチ窒化物の高度な2次元-2次元ヘテロ構造」というタイトルで掲載されました。
太陽の光熱水蒸発技術は、世界の浄水不足を解決すると期待されていますが、現在解決する必要があるのは、光熱材料の低コストの準備、高効率な操作、および実際のアプリケーション環境での使用の安定性と携帯性であり、全人類の早期の利益のために、将来さらに多くの成果が期待されています。
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