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物理学家利用激光烧蚀技术开发用于海水淡化的新材料

废水处理 激光脉冲 激光辐照 海水淡化
发布:2021-02-06 17:09:10    


 FEFU自动化与控制过程研究所(FEB RAS)的高级研究员Alexander Kuchmizhak。实验室。

联合国17个可持续发展目标中包括获得安全水的权利。同时,世界卫生组织(WHO)和儿童基金会(UNICEF)在2019年的报告中解决了这个问题,指出22亿人缺乏安全的饮用水。

提供清洁饮用水的方法之一是通过蒸发和随后的蒸汽浓缩来淡化海水。为了获得更大的产量,需要用于加速蒸发的新材料。在过去的五年中,这已成为全球范围内快速发展的研究领域。

含金的二氧化钛纳米颗粒吸收约96%的太阳光谱并将其转化为热量。该材料可以使脱盐工厂中的蒸发加速多达2.5倍,并且可以跟踪有害分子和化合物。

此类创新材料由FEFU,FEB RAS和ITMO大学的科学家与来自西班牙,日本,保加利亚和白俄罗斯的同事合作设计。研究人员声称它可以用作水蒸发的纳米加热器,也可以用作传感器系统中的光学检测器,该传感器跟踪液体中各种物质的最小痕迹。后期特性可能与微流体生物医学系统,芯片实验室以及水中污染物,抗生素或病毒的环境监测有关。

“在激光照射下,最初结晶的二氧化钛变成完全无定形,获得了强大的宽带光吸收特性。金纳米团簇对材料的装饰和掺杂还促进了可见光的吸收。最初,我们打算在太阳能领域使用该功能但是很快就意识到,由于采用了新的非晶态结构,太阳能电池活性层中的纳米粒子会将吸收的太阳能转化为热量而不是电,但是这个想法开始在海水淡化槽中用作一种纳米加热器。在实验室条件下成功完成。”论文的作者之一,亚历山大·库奇米扎克(Alexander Kuchmizhak),FEB RAS的自动化与控制过程研究所的高级研究员。

该材料是通过简单且环保的液体激光烧蚀技术获得的。 “我们在含有金离子的液体中加入了二氧化钛纳米粉,并用可见光谱的激光脉冲辐照了该混合物。该方法不需要昂贵的设备和有害化学物质,并且可以轻松地进行优化,以克/小时的速度合成独特的纳米材料。” FEFU理工学院(学校)的初级研究员Stanislav Gurbatov说。

值得注意的是,最初的二氧化钛纳米粒子不吸收可见的激光辐射。但是,它们催化在其表面上形成纳米级金簇,从而刺激了二氧化钛的进一步熔融。几种杂化纳米粒子融合形成独特的纳米形态,其中金纳米簇位于二氧化钛的内部和表面。

用金装饰的非晶态二氧化钛纳米粉对人眼来说似乎是完全黑色的,因为它可以像空间中的黑洞一样有效吸收整个可见光谱内的光并将其转换为热量。形成鲜明对比的是,用作原料的市售二氧化钛粉末是白色的。

新材料的开发,包括支持广泛应用中新的可管理物理原理的材料,属于FEFU的优先领域,科学家正在与俄罗斯科学院,国内外同事密切合作进行研究。

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