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新材料:新型セルロース系太陽光光熱変換材料

2023/3/14 23:10:00 0

セルロース

水不足は重要な世界的な問題の一つである。近年、太陽光放射線による海水淡水化の新しい方法が注目されている。中国科学院青島生物エネルギー・プロセス研究所の崔球研究員が率いる代謝物グループ学研究グループは、前期にパルプ発泡材料の研究開発を行った上で、天然ゴムの協同増強と発泡表面の炭化を通じて、高い安定性、低コスト、しかも規模化しやすい新型セルロース系太陽光光熱転化材料を開発した。 

パルプフォームは安価で環境に優しい新しい多孔質材料である。パルプ繊維を原料とし、界面活性剤を用いてパルプ繊維分散液中の常温常圧空気を発泡させるとともに、泡は繊維液相の凝集及び乾燥崩壊を阻止し、均一な多孔質構造を形成し、濾水乾燥後に泡材料を製造することができる。科学研究者は前期にホウ素イオン架橋と適量の天然ポリマーの導入を通じて、機能性の定制化加工を実現できる新型パルプ発泡材料(Chem.Eng.J.、2019、371、34-42、Carbohydr.Polym.、2022、278、118、963)を開発し、新型グリーン包装、建築、保温断熱と吸音などの分野で応用の将来性を持っている。 
 
パルプフォーム材料の耐水性をさらに高めるために、架橋剤として天然ゴムを導入し、簡易な表面炭化プロセスを用いて炭化後のパルプフォーム材料(CPNR)に優れた光熱変換効果を付与した。CPNRは上部の光熱変換層と下部のパルプ発泡層からなり、界面接着や改質処理が不要である。上部光熱変換層は優れた光吸収能力(93.2%)を有し、入射した太陽光を吸収し、光熱変換作用により熱に変換し、水分蒸発を駆動することができる。下部のパルプ発泡体層は、底部から上部光熱変換層に水分を伝導して輸送することができる。同時に、CPNRの多孔質構造、低熱伝導性(0.1 WmK−1)と豊富なヒドロキシル構造は、優れた断熱性と吸水性(9.9 g−1)を有する。本研究で調製したCPNRはシミュレーション太陽光照射強度の下で、水蒸発速度と効率はそれぞれ1.6 kg m-2 h-1と98.1%に達した。また、CPNRは優れた塩分自己洗浄と塩分蓄積防止の性能を持ち、源の広いセルロースと簡単な表面炭化技術を採用し、そのコスト効果を既存の光熱変換材料より顕著に優れている。シミュレーション実験により、新型セルロース系光熱変換材料は水蒸発器として使用でき、海水の淡水化、塩/金属イオンの濃縮、下水処理などの分野に使用できることが期待されている。 
 
このほど、関連研究成果が「米国化学会-応用材料と界面」(ACS Appl.Mater.Inter)に発表された。研究活動は国家自然科学基金、山東省自然科学傑出青年基金、山東エネルギー研究院、青島市などの支持を得た。この仕事は青島エネルギー所とカナダ湖首大学が共同で完成した。 
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