《柔性耐火性光热纸,由超细羟基磷灰石纳米线和碳纳米管组成,用于太阳能驱动的水净化》

  • 来源专题:纳米科技
  • 编译者: 郭文姣
  • 发布时间:2018-10-31
  • 高效利用丰富的太阳能生产清洁用水被认为是缓解全球水危机的一种可持续的、环保的方法。为此,本研究报道了一种利用碳纳米管(CNTs)和无机防火纸(HNs)结合的柔性耐火性光热纸,该纸是一种基于超长羟基磷灰石纳米线(HNs)的柔性耐火性光热纸,用于高效太阳能驱动的水蒸汽产生和水净化。利用HN/CNT光热纸的结构特性,黑色CNT表面层具有高的光吸收性和光热转换能力,HN基无机纸作为热绝缘体具有高温稳定性、低导热性和相互连接的多孔结构。通过结合这些优势,水蒸发效率高83.2%,1千瓦m−2和92.8% 10千瓦m−2。此外,HN/CNT光热纸在回收和长时间使用过程中具有稳定的水分蒸发能力。本文还展示了HN/CNT光热纸在从实际海水和含有重金属离子、染料和细菌的模拟废水样品中高效生产饮用水方面的潜力。高柔性HN/CNT光热纸在高效太阳能海水淡化和废水净化方面具有广阔的应用前景。

    ——文章发布于2018年10月29日

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    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2018-07-27
    •   近日,中国科学技术大学化学与材料学院杜平武教授课题组,首次利用纳米管稠环封端“帽子”模板,构建出纵向切割的纳米管弯曲片段。这种通过三个弯曲型分子连接两个石墨烯单元的方法,可直接得到纳米笼状结构,为构建封端锯齿型碳纳米管提供了新思路。相关研究成果发表在最新一期《德国应用化学》上。   无独有偶。几乎在同时,以研制出世界上第一颗原子弹而闻名于世的洛斯阿拉莫斯实验室的研究人员,使用功能化碳纳米管生产出首个能在室温下使用通信波长发射单光子的碳纳米管材料。神奇材料碳纳米管,为何如此受各国科学家追捧?   空间结构像“挖空的足球”   1985年,“足球”结构的C60一经发现即吸引了全世界的目光。将“足球”挖空,保持表面的五角和六角网格结构,再沿着一个方向扩展六角网格,并赋予平面网格以碳—碳原子和共价键,就形成了具有中空圆柱状结构的碳纳米管。   碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料。其主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管,层与层之间保持固定的距离,约0.34纳米,直径一般为2—20纳米。   “可以将碳纳米管联想为头发丝,而实际上它的直径只有头发丝的几万分之一,即几万根碳纳米管并排起来才与一根头发丝相当。”杜平武教授告诉科技日报记者,作为典型的一维纳米结构,单层碳原子和多层碳原子网格卷曲而成的单壁与多壁碳纳米管,直径通常为0.8—2纳米和5—20纳米,目前报道的最细碳纳米管直径可小至0.4纳米。   杜平武告诉记者,碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成,因此按照石墨烯片的层数可分为:单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。若依其结构特征,碳纳米管则可分为扶手椅形纳米管和锯齿形纳米管等几种类型。   制备方法是挑战   “通常的碳纳米管制备方法主要有电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法以及聚合反应合成法等。”杜平武告诉记者,电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。1991年日本物理学家饭岛澄男就是从电弧放电法生产的碳纤维中首次发现的碳纳米管。“这种方法比较简单,但很难得到纯度较高的碳纳米管,并且得到的往往都是多层碳纳米管,而实际研究中人们往往需要的是单层碳纳米管。”   “随后科研人员又发展出了化学气相沉积法,在一定程度上克服了电弧放电法的缺陷,得到的碳纳米管纯度比较高,但管径不整齐,形状不规则。”杜平武说,后续逐步发展起来的固相热解法等,均受限于环境和条件。   “碳纳米管的制备过程与有机合成反应类似,其副反应复杂多样,很难保证同一炉碳纳米管均为扶手椅形纳米管或锯齿形纳米管。”杜平武说,在强酸、超声波作用下,碳纳米管可以先断裂为几段,再在一定纳米尺度催化剂颗粒作用下增殖延伸,而延伸后所得的碳纳米管与模板的卷曲方式相同。   “如果通过类似于DNA扩增的方式对碳纳米管进行增殖,那么只需找到少量的扶手椅形纳米管或锯齿形纳米管,便可在短时间内复制、扩增出数量几百万倍于模板数量的、同类型的碳纳米管。”杜平武说,这可能会成为制备高纯度碳纳米管的新方式。   性能及尺寸超越硅基材料   “碳纳米管具有完美的一维管式结构,碳原子以碳—碳共价键结合,形成自然界中最强的化学键之一,因此轴向具有很高的强度和韧性。此外六角平面蜂窝结构围成的管壁侧面没有悬挂键,所以碳纳米管具有稳定的化学特性。”杜平武说,碳纳米管优异的性能表现在电学、热学和光学等方面,具有超越传统的导电、导热特性等等。   2013年,斯坦福大学科学家制备了由平行排列的单壁碳纳米管为主要元器件的世界上最小“计算机”。近两年,碳纳米管电子器件的性能及尺寸又一次次被突破,势在超越并最终取代目前商用的硅基器件。   碳纳米管还可以制成透明导电的薄膜,用作触摸屏的替代材料。且原料是甲烷、乙烯、乙炔等碳氢气体,不受稀有矿产资源的限制。碳纳米管触摸屏具有柔性、抗干扰、防水、耐敲击与刮擦等特性,可以做成曲面,已在可穿戴装置、智能家具等领域得到应用。   碳纳米管还给物理学家提供了研究毛细现象的最细毛细管,给化学家提供了进行纳米化学反应的最细试管,科学家甚至研制出能称量单个原子的“纳米秤”。“我国在碳纳米管材料的基础研究方面处于领先地位,结构均一性的控制方法和理论不断创新,控制指标也逐年刷新。”杜平武说。
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    • 编译者:姜山
    • 发布时间:2017-04-13
    • 近年来,快速分析检测技术在化学检测、医学诊断、司法鉴定、环境监测和食品检 测等领域具有广泛的应用。 仪器分析方法 具有高测定精度和低检出限 , 但由于所用仪器一般是大型精密仪器 , 且采用交流电做电源 , 操作较为复杂,使用不方便,一般不适合用于现场快速检测。随着科学技术的进步,各种现场性、临时性、快速高效的分析检测手段相继出现,这些分析检测手段大多是通过颜色变化以及变化程度来实现的。试纸法作为一种快速的现场检测方法 , 其特点是操作简单、携带方便、价格便宜 , 并具有一定的选择性、准确性和灵敏度,在医疗卫生、食品、水质、空气及其它检测方面具有广泛的应用。因此,具备诸多优点的检测试纸应运而生。例如,现今市场上销售的早孕试纸为女性判断是否怀孕提供了快速高效的检测手段。   尿糖检测对分析人体健康状态非常重要,定期尿检已经成为大众生活中不可缺少的一部分。现今, 尿糖检测试纸 已经商品化。在尿糖的检测中,通常需要用到葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶以及显色剂。商业化的尿糖试纸将上述三种物质负载在纸条上,通过显色反应和比色卡来检测尿糖含量。然而,葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶这类天然酶价格高,其制备、提纯和储存均耗时耗力,而且检测活性易受外界环境如 pH 值、温度等影响。   近年来,具有天然酶活性的人工模拟酶受到人们的广泛关注。通过化学方法合成的人工模拟酶成本低,催化活性较为稳定,有望取代部分天然酶应用于分析检测领域。最近,中国科学院上海硅酸盐研究所朱英杰研究员带领的科研团队发明了一种有望用于尿糖检测的快速检测试纸,该检测试纸本身具有类似过氧化物酶的活性,可用于葡萄糖、过氧化氢等物质的快速分析检测。更重要的是该检测试纸制备简单、成本较低、稳定性好,可实现多次重复回收利用。相关研究工作发表在国际重要期刊《欧洲化学》上 ( Fei-Fei Chen, Ying-Jie Zhu, Zhi-Chong Xiong, Tuan-Wei Sun, Chemistry-A European Journal, 23, 3328 − 3337 ( 2017 )) ,入选热点论文和封面论文, 并且申请了一项发明专利。论文发表后不久, Chemistry Views 以 “Chemical Test Paper from Core/Shell Nanofibers” 为题对该研究工作做了报道。 (http://www.chemistryviews.org/details/ezine/10432011/Chemical_Test_Paper_from_CoreShell_Nanofibers.html ) 。   研究团队发明的方法很简单,在羟基磷灰石 超长纳米线上原位生长具有类过氧化物酶活性的 Fe 基金属有机框架 复合物 ,利用羟基磷灰石超长纳米线上的钙离子与金属有机框架复合物上的羧基之间的耦合作用,制备具有核壳结构的羟基磷灰石超长纳米线 @ 金属有机框架复合物纳米纤维,并将其用于制备快速 检测试纸 。重要的是,该方法制备的快速检测试纸可实现多次回收再利用,只需将使用后变色的检测试纸浸泡在酒精中仅仅 30 分钟后,检测试纸就重新变回原来的颜色。   高柔韧性羟基磷灰石超长纳米线是新型无机耐火纸的重要制造原料,在此之前,该团队开展了羟基磷灰石超长纳米线的制备方法探索研究,成功地制备出高柔韧性羟基磷灰石超长纳米线 (Ceramics International, 41, 6098–6102 (2015); Materials Letters, 144, 135–137 (2015)) 。该研究工作是新型无机耐火纸的系列研究工作之一,是该团队在成功研发出新型高柔韧性羟基磷灰石超长纳米线耐火纸 (Chemistry-A European Journal, 20, 1242 – 1246 (2014)) 、新型高效抗菌 羟基磷灰石超长纳米线 耐火纸 (Chemistry-A European Journal, 22, 11224–11231 (2016) ,入选封面论文和热点论文 ) 、以及新型羟基磷灰石超长纳米线防水耐火纸 (ACS Applied Materials & Interfaces, 8, 34715–34724 (2016)) 、羟基磷灰石超长纳米线有序结构纳米绳和柔性耐火织物 (ACS Nano, 10, 11483–11495 (2016)) 之后取得的又一个新的重要研究进展。   相关研究工作得到国家自然科学基金、上海市科委、中国科学院上海硅酸盐研究所创新重点项目等资助。 图 1. (a) 不同尺寸和形状的快速检测试纸,标尺为 1 cm ; (b) 检测过氧化氢的基本原理; (c) 检测葡萄糖的基本原理; (d) 对不同浓度的过氧化氢进行分析检测; (e) 对不同浓度的葡萄糖进行分析检测; (f) 检测试纸可实现多次回收再利用。