DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-61244-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40640127
تاريخ النشر: 2025-07-10
المؤلف: Yuzhu Wang وآخرون
الموضوع الرئيسي: طرق تنقية المياه بالطاقة الشمسية
طرق
في قسم الطرق، يوضح المؤلفون المواد المستخدمة في بحثهم، والتي تم الحصول عليها جميعًا من الموردين التجاريين دون تنقية إضافية. تشمل المواد الكيميائية الرئيسية البيرول (نقاء > 99.0%) من شركة TCI Shanghai Chemical Development Co., Ltd.، و3,5-Bis(9H-carbazol-9-yl) benzaldehyde (99%) من Gallinor (Suzhou) New Materials Co., Ltd. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على المذيبات مثل حمض الأسيتيك، النيتروبنزين، N,N-dimethylformamide (DMF)، كلوريد الحديد، النيترو ميثان، الكلوروفورم، بولي أكريلونيتريل (99%، الوزن الجزيئي = 150,000)، والميثانول من شركة Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. وشركة Shanghai Titan Technology Co., Ltd. هذه المجموعة الشاملة من المواد عالية النقاء ضرورية لضمان موثوقية و reproducibility النتائج التجريبية.
نتائج
تظهر نتائج هذه الدراسة نجاح تصنيع وتوصيف غشاء ألياف زويتريونيك فوتوحراري (PCP/PIL@PAN-M) يحاكي آليات نقل المياه للأكوابورينات. يدمج الغشاء البوليمرات الدقيقة المسامية القائمة على البورفيرين (PCP) والسوائل البوليونية (PIL) في أغشية بولي أكريلونيتريل (PAN) المنسوجة كهربائيًا، مما يحقق نقل مياه سريع مع حجب أيونات الصوديوم (Na⁺) والكلوريد (Cl⁻) بشكل فعال. يوفر مكون PCP قدرات تحويل فوتوحرارية، مما يولد الأكسجين الأحادي ($^{1}O_{2}$) تحت التعرض للضوء، مما يمنح خصائص مضادة للبكتيريا. أظهر غشاء PCP/PIL@PAN-M معدل تبخر ملحوظ قدره 2.64 كجم م⁻² ساعة⁻¹ تحت إشعاع شمس واحد، مع كفاءة تحويل فوتوحرارية تبلغ 97.6%، متفوقًا بشكل كبير على أغشية PAN النقية.
أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والرنين المغناطيسي النووي (NMR)، نجاح تخليق وتوزيع متجانس لـ PCP و PIL داخل الألياف النانوية. تسهل زيادة المحبة للماء في الغشاء، مع تقليل زاوية الاتصال من 67.2° إلى 42°، تحسين نقل المياه أثناء التبخر الفوتوحراري. بالإضافة إلى ذلك، أظهر غشاء PCP/PIL@PAN-M تحملًا ممتازًا للملح، حيث حافظ على معدلات تبخر عالية حتى مع زيادة تركيزات NaCl، ومنع بشكل فعال تبلور الملح أثناء التشغيل. تم التحقق من الأداء العملي لإزالة الملح باستخدام مياه البحر الطبيعية، محققًا تخفيضات كبيرة في تركيزات أيونات المعادن، مما يظهر تعددية وظائف الغشاء في توفير المياه النظيفة والنشاط المضاد للميكروبات. كما أظهر دمج هذا الغشاء في نظام مولد حراري كهربائي (TEG) إمكانيته في تحويل الماء والطاقة بكفاءة، محققًا جهد دائرة مفتوحة قدره 184 مللي فولت وكثافة طاقة قصوى قدرها 1.5 واط م⁻².
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تطوير غشاء فوتوحراري ألياف جديد باستخدام سائل بوليوني زويتريوني، والذي يخفف بشكل فعال من تراكم الملح – وهو تحدٍ شائع في المبخرات الفوتوحرارية التقليدية. أظهر الغشاء معدل تبخر مثير للإعجاب قدره 2.64 كجم م$^{-2}$ ساعة$^{-1}$ تحت إشعاع شمسي قياسي (1 كيلو واط م$^{-2}$) وحقق كفاءة تحويل فوتوحرارية تبلغ 97.6%. بالإضافة إلى ذلك، زود دمج وحدات البورفيرين الغشاء بخصائص مضادة للبكتيريا كبيرة. عند اقترانه بمولد حراري كهربائي، أنتج النظام جهد خرج مستقر قدره 184 مللي فولت وكثافة طاقة تبلغ حوالي 1.5 واط م$^{-2}$، مما يدل على إمكانيته في تشغيل الأجهزة الإلكترونية الصغيرة.
تسلط القدرات متعددة الوظائف لهذا المبخر – إزالة الملح، توليد الطاقة، مقاومة الملح، والتعقيم – الضوء على وعده في تعزيز الأنظمة المتكاملة المدفوعة بالطاقة الشمسية. تم تفصيل عمليات التخليق لمكونات مختلفة، بما في ذلك البورفيرين الفينيل التتراكارازول والسائل الأيوني الزويتريوني، مما يظهر عائدًا مرتفعًا لكل خطوة. تم استخدام تقنيات التوصيف مثل مطيافية الأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه وتحليل برونور-إيميت-تيلر لتقييم الهياكل الجزيئية وخصائص السطح للأغشية، مما يثبت فعاليتها في التطبيقات العملية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-61244-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40640127
Publication Date: 2025-07-10
Author(s): Yuzhu Wang et al.
Primary Topic: Solar-Powered Water Purification Methods
Methods
In the Methods section, the authors detail the materials utilized in their research, all of which were sourced from commercial suppliers without additional purification. Key reagents included pyrrole (purity > 99.0%) from TCI Shanghai Chemical Development Co., Ltd., and 3,5-Bis(9H-carbazol-9-yl) benzaldehyde (99%) from Gallinor (Suzhou) New Materials Co., Ltd. Additionally, solvents such as acetic acid, nitrobenzene, N,N-dimethylformamide (DMF), ferric chloride, nitromethane, chloroform, polyacrylonitrile (99%, molecular weight = 150,000), and methanol were procured from Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. and Shanghai Titan Technology Co., Ltd. This comprehensive selection of high-purity materials is essential for ensuring the reliability and reproducibility of the experimental results.
Results
The results of this study demonstrate the successful fabrication and characterization of a photothermal zwitterionic fibrous membrane (PCP/PIL@PAN-M) that mimics the water transport mechanisms of aquaporins. The membrane integrates porphyrin-based conjugated microporous polymers (PCP) and polyionic liquids (PIL) into electrospun polyacrylonitrile (PAN) membranes, achieving rapid water transport while effectively blocking sodium (Na⁺) and chloride (Cl⁻) ions. The PCP component provides photothermal conversion capabilities, generating singlet oxygen ($^{1}O_{2}$) under light exposure, which imparts antibacterial properties. The optimized PCP/PIL@PAN-M membrane exhibited a remarkable evaporation rate of 2.64 kg m⁻² h⁻¹ under one sun irradiation, with a photothermal conversion efficiency of 97.6%, significantly outperforming pure PAN membranes.
Characterization techniques, including scanning electron microscopy (SEM) and nuclear magnetic resonance (NMR), confirmed the successful synthesis and uniform distribution of PCP and PIL within the nanofibers. The membrane’s enhanced hydrophilicity, with a contact angle reduction from 67.2° to 42°, facilitates improved water transport during photothermal evaporation. Additionally, the PCP/PIL@PAN-M membrane demonstrated excellent salt tolerance, maintaining high evaporation rates even with increasing NaCl concentrations, and effectively prevented salt crystallization during operation. The practical desalination performance was validated using natural seawater, achieving significant reductions in metal ion concentrations and demonstrating the membrane’s multifunctionality in providing clean water and antimicrobial activity. The integration of this membrane into a thermoelectric generator (TEG) system further showcased its potential for efficient water-energy co-conversion, achieving an open-circuit voltage of 184 mV and a maximum power density of 1.5 W m⁻².
Discussion
In this study, a novel fibrous photothermal membrane was developed using a zwitterionic polyionic liquid, which effectively mitigates salt accumulation—a common challenge in traditional photothermal evaporators. The membrane demonstrated an impressive evaporation rate of 2.64 kg m$^{-2}$ h$^{-1}$ under standard solar irradiation (1 kW m$^{-2}$) and achieved a photothermal conversion efficiency of 97.6%. Additionally, the incorporation of porphyrin units provided the membrane with significant antibacterial properties. When coupled with a thermoelectric generator, the system produced a stable output voltage of 184 mV and a power density of approximately 1.5 W m$^{-2}$, indicating its potential to power small electronic devices.
The multifunctional capabilities of this evaporator—desalination, power generation, salt resistance, and sterilization—highlight its promise for advancing integrated solar-driven systems. The synthesis processes for the various components, including the tetracarbazole phenyl porphyrin and the zwitterionic ionic liquid, were detailed, showcasing a high yield for each step. Characterization techniques such as Fourier transform infrared spectroscopy and Brunauer-Emmett-Teller analysis were employed to assess the molecular structures and surface properties of the membranes, further validating their effectiveness in practical applications.