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四川大學(xué)張軍華教授團隊 ACS Nano：融合光譜操縱微納米結(jié)構(gòu)和表面工程助力3D打印液態(tài)金屬水凝膠蒸發(fā)器實現(xiàn)耐鹽太陽能海水淡化
2024-02-22  來源：高分子科技

  太陽能高效利用和捕獲技術(shù)被認(rèn)為是解決全球能源與水資源短缺問題的有利途徑。利用寬帶太陽光譜進行海水淡化是一種很有前景的方法，無需復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施即可提供淡水。近年來，通過在材料微-納結(jié)構(gòu)設(shè)計、水/蒸氣界面和水/鹽通道以及光熱調(diào)控方面進行不斷改進，以提高蒸發(fā)速率和光熱轉(zhuǎn)換效率。然而，部分蒸發(fā)器缺乏適當(dāng)?shù)脑O(shè)計來適配新型光熱轉(zhuǎn)換材料，優(yōu)化并調(diào)節(jié)太陽能轉(zhuǎn)換過程中的熱能損失或鹽分積累問題，導(dǎo)致太陽能到蒸汽的效率受到限制。為此，通過設(shè)計新型光熱轉(zhuǎn)換材料和蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高效太陽能生產(chǎn)清潔水仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。


  針對上述科學(xué)問題和關(guān)鍵影響因素，近日，四川大學(xué)張軍華教授團隊，探索了一種新型可光交聯(lián)單寧酸介質(zhì)穩(wěn)定的共晶鎵銦(EGaIn)配合物 (LMTE)作為寬帶光吸收劑。此外，創(chuàng)新性提出將LMTE直接與高親水聚合物和光敏物質(zhì)復(fù)合，成功開發(fā)出適用于光固化3D打印工藝的水基光熱墨水（圖1）。具體來說，通過烯丙基縮水甘油醚（AGE）接枝單寧酸（TA）穩(wěn)定劑設(shè)計一種可調(diào)控光譜吸收液態(tài)金屬（LM）殼層，用于協(xié)同LM增強光熱性能（圖2）。利用液態(tài)金屬與聚乙烯醇/丙烯酰胺化合物的完美兼容性，將LMTE納米顆粒均勻的分散在光敏樹脂前驅(qū)體內(nèi)，進而在光固化3D打印工藝下實現(xiàn)液態(tài)金屬與聚乙烯醇/聚丙烯酰胺半互穿網(wǎng)絡(luò)復(fù)合水凝膠蒸發(fā)器固化成型，其中利用水/丙三醇來調(diào)節(jié)粘度，聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)作為交聯(lián)劑強化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；贒LP 3D打印工藝協(xié)同冰模板技術(shù)同步構(gòu)筑了一種表面陣列式多孔3D毫錐針結(jié)構(gòu)的太陽能蒸發(fā)器。更重要的是，集成金屬-酚網(wǎng)絡(luò)（MPNs）工程進一步賦能陣列式多孔結(jié)構(gòu)毫錐針3D蒸發(fā)器（圖3），用于定向鹽結(jié)晶，從而實現(xiàn)水供給、脫鹽、太陽能蒸發(fā)“多合一”功能的連續(xù)蒸發(fā)過程。


圖1.基于DLP 3D打印技術(shù)的三維錐形陣列PxLMTEi水凝膠光熱材料的設(shè)計，該材料具有寬帶太陽能吸收和局部維納米熱傳導(dǎo)能力。 


圖2.液態(tài)金屬光熱復(fù)合納米材料（LMTEi）微相結(jié)構(gòu)、光交聯(lián)/光熱性能、及其界面結(jié)合能分析表征。 



圖3. MPNs組裝下三維毫錐形陣列混合水凝膠蒸發(fā)器的微結(jié)構(gòu)演變，PxLMTEi@MPN水凝膠的組裝過程示意圖及其網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)和界面交聯(lián)特征的嵌入狀態(tài)。


  研究發(fā)現(xiàn)，通過自下而上的策略進行合理設(shè)計，優(yōu)化的3D打印PxLMTEi@MPN水凝膠蒸發(fā)器分別由用于高效光子收集的EGaIn 納米液滴（即LMTE6，光熱轉(zhuǎn)換效率為67.5%）和用于微-納通道供水的 MPN涂裝毫錐體陣列組成。協(xié)同作用下，太陽能蒸發(fā)器呈現(xiàn)了卓越的太陽能水蒸發(fā)能力（2.96 kg m-2 h-1，96.93% 的能效）和出色的太陽能海水淡化能力（鹽循環(huán)和特定地點鹽結(jié)晶）（圖4）。這項工作展示了新型基于 EGaIn 的光熱納米材料和一種構(gòu)建太陽能驅(qū)動蒸發(fā)的熱傳遞的光固化3D打印工藝方法，重點是多功能太陽能蒸發(fā)系統(tǒng)的集成（圖5）。


圖4.優(yōu)化PxLMTEi@MPN水凝膠蒸發(fā)器件中，孔結(jié)構(gòu)、光譜吸收特征、水蒸發(fā)的表征與和太陽能光熱蒸發(fā)性能測試。


 圖5.優(yōu)化PxLMTEi@MPN基太陽能海水淡化系統(tǒng)的建立和驗證。


  該研究成果于近日被發(fā)表在國際重要刊物《ACS Nano》上，“3D-Printed Liquid Metal-in-Hydrogel Solar Evaporator: Merging Spectrum-Manipulated Micro-Nano Architecture and Surface Engineering for Solar Desalination”（Doi:10.1021/acsnano.3c12574）。 四川大學(xué)高分子研究所、高分子材料工程國家重點實驗室張軍華教授為論文通訊作者，博士研究生楊勝都為第一作者。


  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.3c12574

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