Alors que la population mondiale augmente, les réserves d'eau douce sont plus précieuses que jamais. Alors que les scientifiques et les ingénieurs savent comment purifier l'eau, rendre ces méthodes durables et économes en énergie est une autre question.

Une approche prometteuse est la distillation solaire, ou la production de vapeur solaire, ce qui peut nous aider à obtenir de l'eau douce à partir des eaux usées ou de l'eau de mer. Les chercheurs ont utilisé cette méthode pour distiller avec succès de petits lots d'eau purifiée, mais ils cherchent toujours un moyen de le faire à grande échelle.

Des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering de l'Université de Chicago et du Argonne National Laboratory, affilié à UChicago, faisaient partie d'une équipe qui a développé une nouvelle méthode pionnière de génération de vapeur solaire qui pourrait aider à mettre cette technologie dans le monde réel. Les matériaux peuvent être cultivés sur du bois, tissu ou éponges dans un facile, processus en une étape, et se montrent prometteurs pour la fabrication à grande échelle.

« Les techniques de génération de vapeur solaire sont encore principalement axées sur l'utilisation en laboratoire, " dit Zijing Xia, un étudiant diplômé de Pritzker Molecular Engineering et auteur principal de la recherche. "Nous voulons trouver un moyen simple de fabriquer des générateurs de vapeur solaires à un coût relativement bas."

Les résultats de leurs travaux innovants ont été récemment publiés dans la revue Matériaux avancés Interfaces.

Dans la recherche de systèmes à vapeur solaire, les chercheurs ont déjà essayé divers matériaux qui convertissent la lumière en chaleur, tels que les matériaux carbonés, métaux plasmoniques et semi-conducteurs. Mais beaucoup de ces options ont une efficacité relativement faible, entre autres défis, et ainsi la recherche continue d'une méthode véritablement transformatrice.

Un générateur de vapeur solaire performant combinera idéalement plusieurs caractéristiques. Il doit flotter sur l'eau, pouvoir absorber un large spectre de lumière, convertir efficacement la lumière en chaleur et pouvoir transférer cette chaleur à l'eau. Malheureusement, de nombreuses méthodes précédemment étudiées n'ont pas la structure poreuse nécessaire pour faciliter le transfert de chaleur à l'eau.

"La plupart des méthodes existantes ne peuvent pas être facilement conçues pour produire des dispositifs de génération de vapeur avec à la fois un contrôle arbitraire sur la forme et une efficacité photothermique élevée, " dit Xia.

Ce qui distingue la méthode de Xia est l'utilisation d'un cadre organique covalent de porphyrine, ou POF. Une classe de matériaux nouvellement découverte, Les POF peuvent se développer uniformément à la surface d'une variété de matériaux avec différents niveaux de porosité, et ils montrent des performances élevées pour l'évaporation de l'eau. Les POF ont également des caractéristiques uniques de récolte de lumière bénéfiques pour les nouvelles applications.

Dans le laboratoire, Les POF se sont développés avec succès sur les surfaces intérieures et extérieures de chaque matériau testé. Et chaque modèle a montré des propriétés photothermiques favorables, indiquant que les matériaux à base de POF sont des candidats prometteurs pour la production de vapeur solaire. La membrane POF a pu capturer plus de 95 % de la lumière sur la majorité du spectre de la lumière solaire.

Le résultat le plus prometteur de la recherche, Xia a dit, était la capacité des POF à se développer à la surface de nombreux types de matériaux différents, y compris les membranes, tissus, éponges et bois. Le bois a montré des performances particulièrement fortes, avec des chercheurs mesurant environ 80 pour cent d'efficacité de conversion lumière-vapeur.

La capacité des POF à se développer sur de nombreux types de matériaux les rend facilement adaptables pour une utilisation avec des matériaux disponibles localement. Cette polyvalence, couplé avec la facilité, processus de fabrication en une étape, pourrait rendre la méthode pratique pour la production à grande échelle.

L'approche basée sur le POF s'est avérée très efficace en laboratoire, et l'équipe de recherche prévoit de mener d'autres expériences en dehors du laboratoire pour observer les performances pratiques des POF.

Jusque là, la recherche suggère que les POF pourraient aider à conduire les systèmes de purification d'eau durables du futur.

"La conception d'ingénierie d'interface basée sur POF est prometteuse pour les méthodes de purification à grande échelle, et il pourrait également être utilisé pour le dessalement, traitement des eaux usées et au-delà, " dit Xia.