湖南大學(xué)王兆龍課題組《Solar RRL》：3D打印仿生太陽(yáng)能蒸發(fā)器

自然界的樹(shù)木依靠其*的根莖系統(tǒng)，可以從很深的土壤里吸取水分，利用毛細(xì)力向上運(yùn)輸?shù)饺~片中進(jìn)行光合作用（圖1a）。受此啟發(fā)，湖南大學(xué)王兆龍副教授、段輝高教授與東南大學(xué)陳永平教授、北京理工大學(xué)孔慧副研究員及上海交通大學(xué)鄭平院士合作，在《Solar RRL》期刊上發(fā)表了題為“3D printed bionic solar evaporator"的文章。該文章利用面投影微立體光刻技術(shù)（nanoArch P140，摩方精密）制備了仿生微通道及水凝膠蒸發(fā)器樣品。在經(jīng)過(guò)處理后，形成了富含碳納米顆粒的多孔水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及仿生微通道的復(fù)合蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)。在毛細(xì)力的作用下，液體會(huì)從微通道底部輸運(yùn)到水凝膠網(wǎng)絡(luò)中，在太陽(yáng)光的照射下水凝膠在碳納米顆粒的光熱作用下迅速升溫而將水快速蒸發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能蒸發(fā)器吸水和蒸發(fā)的動(dòng)態(tài)平衡。

圖1 一種仿生太陽(yáng)能蒸發(fā)器。（a）樹(shù)木吸水及蒸騰作用。（b）多孔水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及仿生微通道的復(fù)合太陽(yáng)能蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)。

具體的加工過(guò)程如圖2a-b所示，水凝膠蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)由NIPAAm（聚-N-異丙基丙烯酰胺）與AAm（丙烯酰胺）單體聚合而成，在碳納米顆粒的修飾下即可實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的吸收。水凝膠蒸發(fā)器的形貌如圖2c所示，內(nèi)部凝膠網(wǎng)絡(luò)的孔徑為30微米左右，網(wǎng)絡(luò)上附有一層致密的碳納米顆粒，顆粒尺寸為20-30納米左右。

圖2 加工過(guò)程及形貌表征。（a）水凝膠蒸發(fā)器加工過(guò)程。（b）微通道加工過(guò)程。（c）水凝膠表面形貌及碳納米顆粒形貌。（d）微通道形狀結(jié)構(gòu)。

基于仿生太陽(yáng)能蒸發(fā)器優(yōu)秀的蒸發(fā)性能與液體輸運(yùn)能力，研究人員將其應(yīng)用在污水降解及海水淡化等應(yīng)用中去。如圖3a所示，污水中的一些大分子顆粒等污染物質(zhì)會(huì)被水凝膠網(wǎng)絡(luò)吸附，從而達(dá)成污水凈化的目的。研究人員主要對(duì)有機(jī)染劑、酸堿以及重金屬離子等污染物進(jìn)行降解研究，對(duì)降解前后污染物的濃度進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)果如圖3b-d所示，仿生太陽(yáng)能蒸發(fā)器對(duì)有機(jī)染劑的凈化效率高達(dá)94%，能將酸堿全部過(guò)濾掉，對(duì)重金屬顆粒的凈化效果更是高達(dá)99.99%。除此之外，研究人員還對(duì)該太陽(yáng)能蒸發(fā)器的穩(wěn)定性進(jìn)行了探究，如圖3e所示，經(jīng)過(guò)連續(xù)十四天的連續(xù)使用，仍能保持4.12kg/m2 h的蒸發(fā)速率以及92.5%的太陽(yáng)能利用效率，證明了該蒸發(fā)器的穩(wěn)定性。

圖3 太陽(yáng)能蒸發(fā)器應(yīng)用。（a）水凝膠網(wǎng)絡(luò)的凈化與過(guò)濾能力。（b）對(duì)有機(jī)染劑的凈化效果。（c）對(duì)酸堿的凈化效果。（d）對(duì)重金屬離子的凈化效果。（e）太陽(yáng)能蒸發(fā)器的穩(wěn)定性。

該項(xiàng)研究成果獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委，湖南省優(yōu)秀青年基金，廣東省重大專項(xiàng)及國(guó)防科工局民用航天項(xiàng)目等研究項(xiàng)目支持。

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https://doi.org/10.1002/solr.202101063