Naarmate de wereldbevolking groeit, zoetwatervoorraden zijn kostbaarder dan ooit. Terwijl wetenschappers en ingenieurs weten hoe ze water moeten zuiveren, het duurzaam en energiezuinig maken van die methoden is een andere vraag.

Een veelbelovende benadering is door zonne-energie aangedreven destillatie, of zonnestoomopwekking, die ons kan helpen om zoet water uit afvalwater of zeewater te halen. Onderzoekers hebben deze methode gebruikt om met succes kleine batches gezuiverd water te distilleren, maar ze zoeken nog naar een manier om dit op grote schaal te doen.

Onderzoekers van de Pritzker School of Molecular Engineering van de Universiteit van Chicago en het aan UChicago gelieerde Argonne National Laboratory maakten deel uit van een team dat een baanbrekende nieuwe methode voor het genereren van zonnestoom ontwikkelde die zou kunnen helpen deze technologie in de echte wereld te brengen. De materialen kunnen op hout worden gekweekt, stof of sponzen in een gemakkelijke, proces in één stap, en belofte tonen voor grootschalige productie.

"Technieken voor het opwekken van zonne-stoom zijn nu nog steeds vooral gericht op laboratoriumgebruik, " zei Zijing Xia, een afgestudeerde student bij Pritzker Molecular Engineering en hoofdauteur van het onderzoek. "We willen een gemakkelijke manier vinden om zonne-stoomgeneratoren te fabriceren tegen relatief lage kosten."

De resultaten van hun innovatieve werk zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen Interfaces.

In de zoektocht naar zonne-stoomsystemen, onderzoekers hebben al verschillende materialen geprobeerd die licht omzetten in warmte, zoals koolstofmaterialen, plasmonische metalen en halfgeleiders. Maar veel van deze opties hebben een relatief laag rendement, onder andere uitdagingen, en zo gaat de zoektocht verder naar een echt transformatieve methode.

Een krachtige zonne-stoomgenerator combineert op ideale wijze verschillende kenmerken. Het moet drijvend zijn op het water, een breed spectrum van licht kunnen absorberen, licht efficiënt omzetten in warmte en die warmte kunnen overbrengen naar water. Helaas, veel eerder bestudeerde methoden missen de poreuze structuur die nodig is om de warmteoverdracht naar water te vergemakkelijken.

"De meeste bestaande methoden kunnen niet eenvoudig worden ontworpen om stoomgenererende apparaten te produceren met zowel willekeurige controle over de vorm als een hoge fotothermische efficiëntie, ' zei Xia.

Wat Xia's methode onderscheidt, is het gebruik van een covalent organisch raamwerk van porfyrine, of POF. Een nieuw ontdekte klasse van materialen, POF's kunnen uniform groeien op het oppervlak van een verscheidenheid aan materialen met verschillende porositeitsniveaus, en ze vertonen hoge prestaties voor waterverdamping. POF's hebben ook unieke lichtoogstkenmerken die gunstig zijn voor nieuwe toepassingen.

In het labortorium, POF's groeiden met succes op de binnen- en buitenoppervlakken van elk getest materiaal. En elke sjabloon vertoonde gunstige fotothermische eigenschappen, wat aangeeft dat op POF gebaseerde materialen veelbelovende kandidaten zijn voor zonnestoomopwekking. Het POF-membraan kon meer dan 95 procent van het licht opvangen over het grootste deel van het spectrum van zonlicht.

Het meest veelbelovende resultaat van het onderzoek, Xia zei, was het vermogen van de POF's om te groeien aan het oppervlak van veel verschillende soorten materialen, inclusief membranen, stoffen, sponzen en hout. Het hout vertoonde bijzonder sterke prestaties, met onderzoekers die ongeveer 80 procent licht-naar-stoom conversie-efficiëntie meten.

Het vermogen van POF's om op veel soorten materialen te groeien, maakt ze gemakkelijk aan te passen voor gebruik met lokaal beschikbare materialen. Deze veelzijdigheid, in combinatie met de gemakkelijke, fabricageproces in één stap, zou de methode praktisch kunnen maken voor grootschalige productie.

De op POF gebaseerde aanpak bleek zeer effectief in een laboratoriumomgeving, en het onderzoeksteam is van plan om verdere experimenten buiten het laboratorium uit te voeren om de praktische prestaties van POF's te observeren.

Tot dusver, het onderzoek suggereert dat POF's kunnen helpen bij het aandrijven van de duurzame waterzuiveringssystemen van de toekomst.

"POF-gebaseerd interface-engineeringontwerp is veelbelovend voor grootschalige zuiveringsmethoden, en het kan ook worden gebruikt voor ontzilting, afvalwaterzuivering en daarbuiten, ' zei Xia.