鐵氧體三維微納結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的構(gòu)建及其在海水淡化中的應(yīng)用

鄧海鑫 黎 敏 韓依珉 黃春雷 孫榮爽 陳鴻華 姚 磊 張文妍＊

（金陵科技學(xué)院材料工程學(xué)院，江蘇 南京 211169）

淡水是人類賴以生存和發(fā)展的重要資源。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、工業(yè)化進(jìn)程的加快和全球人口的爆炸性增長，人類對淡水資源的需求急劇增加，人類的未來發(fā)展日益受到淡水資源匱乏的制約。據(jù)保守估計(jì)，截至2025 年，全球?qū)⒅辽儆?8 億人口面臨缺水問題。對于我國而言，盡管我國的淡水資源總量位于世界第6 位，但由于人口基數(shù)較大，人均水資源僅排全球第121位；制約我國淡水資源利用的第二個問題是空間分布不均的問題，南北淡水資源儲量差距極為明顯，區(qū)域淡水資源儲量的不均衡制約了部分地區(qū)社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展；此外，在我國的部分地區(qū)還存在主干道河流環(huán)境惡化、水質(zhì)污染、地下水資源過度開采等問題，加劇了這些地區(qū)的淡水資源匱乏和生態(tài)危機(jī)[1-4]。

由此可見，如何有效解決淡水資源的匱乏問題及區(qū)域平衡問題，已成為影響我國未來發(fā)展的瓶頸問題。實(shí)際上，地球表面約有70%的面積被海洋所覆蓋，發(fā)展低耗能、低成本、環(huán)境友好型的海水淡化科技，從海水中汲取淡水，將成為解決當(dāng)前淡水資源問題的重要途徑[5,6]。太陽能是取之不盡、用之不竭的可再生清潔能源。通過光熱轉(zhuǎn)換，將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能并局部集中到空氣和水的界面處進(jìn)行局部加熱，能夠有效提高海水的界面蒸發(fā)效率，降低海水淡化的成本[7,8]。這種方法還能夠緩解水資源空間分配不均勻的問題，特別適用于一些太陽光充足而運(yùn)輸條件有限的臨海邊遠(yuǎn)地區(qū)。

近年來，有研究發(fā)現(xiàn)Fe3O4納米晶團(tuán)簇材料具有良好的光熱效應(yīng)，通過光輻照引導(dǎo)光子與Fe3O4納米晶團(tuán)簇的晶格之間發(fā)生相互作用，加劇其晶格振動，可有效實(shí)現(xiàn)光能-熱能的轉(zhuǎn)換。然而，目前國內(nèi)外對Fe3O4納米晶團(tuán)簇材料的光熱效應(yīng)研究，多側(cè)重于其在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，較少有該類材料在海水淡化領(lǐng)域的研究報(bào)道[9,10]。實(shí)際上，F(xiàn)e3O4納米晶團(tuán)簇材料不僅具備優(yōu)異的近紅外光熱效應(yīng)，還具備生物相容性好、綠色環(huán)保、材料尺寸和磁學(xué)性能易于調(diào)控、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，且Fe3O4納米晶團(tuán)簇材料可進(jìn)行磁分離，不會對海洋水體造成污染，可望在海水淡化領(lǐng)域發(fā)揮重要潛力。

結(jié)合以上研究進(jìn)展，本文探索如何設(shè)計(jì)與構(gòu)建基于Fe3O4納米晶團(tuán)簇的鐵氧體三維微納結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，并探索其在海水淡化領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。在研究過程中，分別構(gòu)建了Fe3O4納米晶團(tuán)簇微球(M-Fe3O4)、Fe3O4納米晶團(tuán)簇微球/聚吡咯核殼結(jié)構(gòu)材料(M-Fe3O4@PPy)、以及M-Fe3O4@PPy 和石墨烯的三元復(fù)合材料(M-Fe3O4@PPy@RGO)，利用這三類材料的光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)，提高了模擬海水的蒸發(fā)效率，發(fā)展了環(huán)境友好型鐵氧體海水淡化材料。

1 鐵氧體三維微納結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的構(gòu)筑

鐵氧體三維微納結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的構(gòu)筑，主要包含了3 個步驟：

(1)Fe3O4納米晶團(tuán)簇微球(M-Fe3O4)的制備：將適量FeCl3·6H2O、檸檬酸鈉、聚丙烯酸鈉和尿素溶于蒸餾水，180℃水熱反應(yīng)12 小時(shí)，制得Fe3O4納米晶團(tuán)簇材料。

(2)將Fe3O4納米晶團(tuán)簇微球與導(dǎo)電聚合物聚吡咯(PPy)進(jìn)行復(fù)合，制備M-Fe3O4@PPy 核殼結(jié)構(gòu)材料：通過化學(xué)聚合法，將PPy 原位聚合在Fe3O4納米晶團(tuán)簇微球上，自組裝形成M-Fe3O4@PPy 核殼結(jié)構(gòu)，PPy 殼層可起到對Fe3O4納米晶團(tuán)簇的保護(hù)作用。

(3)M-Fe3O4@PPy 核殼結(jié)構(gòu)材料與石墨烯(RGO)的復(fù)合，制備M-Fe3O4@PPy@RGO 三元復(fù)合材料：通過偶聯(lián)劑聚乙烯吡咯烷酮的偶聯(lián)作用，以及PPy 和RGO 之間的π-π 作用，將RGO 組裝在Fe3O4@PPy 核殼結(jié)構(gòu)上，自組裝形成M-Fe3O4@PPy@RGO，RGO 可起到對Fe3O4@PPy 核殼結(jié)構(gòu)的保護(hù)作用。

圖1(a)所示為Fe3O4納米晶團(tuán)簇微球(M-Fe3O4)的透射電鏡圖。從圖1(a)可見，M-Fe3O4是由許多納米晶體組裝而成的中空球體，微球直徑約為200nm。圖1(b)是M-Fe3O4的XRD 譜圖，圖中的衍射峰分別對應(yīng)于Fe3O4的(111)、(220)、(311)、(400)、(422)、(511)、(440)和(533)晶面。

圖1

圖1(c)所示為M-Fe3O4@PPy 核殼結(jié)構(gòu)材料的透射電鏡圖。從圖1(c)可見，M-Fe3O4@PPy 具有核殼結(jié)構(gòu)，其內(nèi)核為Fe3O4納米晶團(tuán)簇微球(M-Fe3O4)，PPy 包覆在M-Fe3O4表面，形成核殼結(jié)構(gòu)，PPy 殼層的厚度約為30nm 左右，PPy 殼層可起到對M-Fe3O4的保護(hù)作用。

圖1(d)所示為M-Fe3O4@PPy@RGO 三元復(fù)合材料的透射電鏡圖。從圖1(d)可見，在M-Fe3O4@PPy@RGO 三元復(fù)合微納結(jié)構(gòu)材料中，石墨烯片層偶聯(lián)在M-Fe3O4@PPy 核殼結(jié)構(gòu)表面，形成了連接M-Fe3O4@PPy 核殼結(jié)構(gòu)材料的“橋梁”，能夠起到對M-Fe3O4@PPy 的保護(hù)作用。

2 鐵氧體磁性微納結(jié)構(gòu)材料增益海水蒸發(fā)效率的研究

對M-Fe3O4、M-Fe3O4@PPy 和M-Fe3O4@PPy@RGO 增益海水蒸發(fā)效率的性能進(jìn)行研究。在研究過程中，使用的溶液是模擬海水，將這三種鐵氧體三維微納結(jié)構(gòu)材料分散在模擬海水中，分析比較在太陽光輻照（自然光）及100W 紅外光輻照下溶液的蒸發(fā)效率，所得結(jié)果如圖2、圖3 所示。其中，空白對比樣品為模擬海水，其中未分散鐵氧體三維微納結(jié)構(gòu)材料。

圖3

圖2(a)所示為太陽光源（自然光）輻照下模擬海水溶液蒸發(fā)效率-時(shí)間曲線，圖2(b)所示為太陽光源輻照下200 分鐘后的海水蒸發(fā)效率比較。從圖2(a)中可見，在200 分鐘測試時(shí)間范圍內(nèi)，分散了M-Fe3O4、M-Fe3O4@PPy@RGO 和M-Fe3O4@PPy 的模擬海水，其蒸發(fā)效率均高于空白樣品，說明M-Fe3O4、M-Fe3O4@PPy@RGO 和M-Fe3O4@PPy確實(shí)具備了一定的光熱效應(yīng)，輻照光子與這三種鐵氧體三維微納結(jié)構(gòu)材料之間的相互作用，促進(jìn)了光能-熱能的轉(zhuǎn)換，提高了模擬海水的蒸發(fā)效率。

從圖2(b)中可見，經(jīng)過200 分鐘的輻照測試，分 散 了 M-Fe3O4、M-Fe3O4@PPy@RGO 和M-Fe3O4@PPy 的模擬海水的蒸發(fā)效率分別約為13%、9%、6%，空白樣品的蒸發(fā)效率約為5%。M-Fe3O4、M-Fe3O4@PPy@RGO 和M-Fe3O4@PPy 的蒸發(fā)效率分別是空白樣品的2.6 倍、1.8 倍和1.2 倍。其中，M-Fe3O4對海水的蒸發(fā)效率增益最為顯著，達(dá)到了160%，這可能是由于PPy 殼層和RGO 片層阻擋了部分太陽光子，降低了太陽光子Fe3O4納米晶團(tuán)簇之間的相互作用。

圖2

圖3(a)所示為100W 紅外光輻照下模擬海水溶液蒸發(fā)效率-時(shí)間曲線，圖3(b)所示為100W 紅外光輻照下200 分鐘后的海水蒸發(fā)效率比較。從圖3(a)中可見，在200 分鐘測試時(shí)間范圍內(nèi)，分散了M-Fe3O4、M-Fe3O4@PPy@RGO 和M-Fe3O4@PPy 的模擬海水，其蒸發(fā)效率依然均高于空白樣品，說明這三個樣品的具備了一定的光熱效應(yīng)，促進(jìn)了海水蒸發(fā)效率的提高；此外，各個樣品的蒸發(fā)效率均高于使用太陽光輻照的同類樣品(參比圖2(a))，這說明100W 紅外光輻照下樣品的光熱效應(yīng)優(yōu)于太陽光輻照下的光熱效應(yīng)，紅外光子與這三種鐵氧體三維微納結(jié)構(gòu)材料之間的相互作用能夠更有效地促進(jìn)光能-熱能的轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步提高模擬海水的蒸發(fā)效率。

從圖3 (b) 中可見，經(jīng)過200 分鐘的輻照測試，分散了M-Fe3O4、M-Fe3O4@PPy@RGO 和M-Fe3O4@PPy 的模擬海水的蒸發(fā)效率分別約為20%、25%、29%，空白樣品的蒸發(fā)效率約為18%。M-Fe3O4、M-Fe3O4@PPy@RGO 和M-Fe3O4@PPy 的蒸發(fā)效率分別是空白樣品的1.1 倍、1.4 倍和1.6 倍。其中，含M-Fe3O4@PPy 的模擬海水的蒸發(fā)效率提高達(dá)60%，表現(xiàn)出比含M-Fe3O4和M-Fe3O4@PPy@RGO 的模擬海水更高的蒸發(fā)效率。這可能是與PPy 的近紅外吸收性能有關(guān)[11,12]。PPy 殼層具有優(yōu)異的近紅外吸收性能，可增益M-Fe3O4在紅外輻照下的光熱效應(yīng)，使含有M-Fe3O4@PPy 的模擬海水表現(xiàn)出比M-Fe3O4更高的蒸發(fā)效率。

3 結(jié)論

本文從提高海水界面蒸發(fā)效率的研究目的出發(fā)，設(shè)計(jì)構(gòu)建了三類鐵氧體三維微納結(jié)構(gòu)材料M-Fe3O4、M-Fe3O4@PPy 和M-Fe3O4@PPy@RGO。 研 究 表 明，M-Fe3O4、M-Fe3O4@PPy 和M-Fe3O4@PPy@RGO 具有一定的光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)，能夠提高海水蒸發(fā)效率。在太陽光輻照下，M-Fe3O4海水蒸將發(fā)效率提高了160%，高于M-Fe3O4@PPy 和M-Fe3O4@PPy@RGO；在100W 紅外光輻照下，M-Fe3O4@PPy 將海水蒸發(fā)效率提高了60%，高于M-Fe3O4和M-Fe3O4@PPy@RGO，這可能是與PPy 的近紅外吸收性能有關(guān)。