南工大陳蘇教授團(tuán)隊：面向光熱太陽能海水淡化的微流控3D打印有序光子晶體膜成果

來源：國際仿生工程學(xué)會

淡水資源在人類社會的發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，隨著人口的增加、工業(yè)經(jīng)濟(jì)的增長和水體污染的加劇，全球?qū)ΦY源的需求也在增加。然而，包覆式太陽能蒸發(fā)器存在無法吸收入射光線的缺點，導(dǎo)致太陽能吸收器的效率較低。因此界面式太陽能蒸發(fā)系統(tǒng)因其環(huán)保、高效、節(jié)能的特點，引起了廣泛的關(guān)注。但是無序結(jié)構(gòu)的太陽能蒸發(fā)材料存在光吸收少，光熱轉(zhuǎn)換低以及水傳輸受限等問題是實際應(yīng)用中不可避免的阻礙。因此，如何用先進(jìn)有序微結(jié)構(gòu)材料實現(xiàn)蒸發(fā)器件的高性能化是能源化工領(lǐng)域前沿課題之一。

針對上述科學(xué)問題和關(guān)鍵影響因素，近日，南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院、材料化學(xué)工程國家重點實驗室陳蘇教授、朱亮亮教授等人，創(chuàng)新性從構(gòu)建先進(jìn)多維有序微結(jié)構(gòu)光熱蒸發(fā)器入手，分別通過Langmuir-Blodgett（LB）、微流控3D打印技術(shù)的先進(jìn)工藝，設(shè)計一種明亮結(jié)構(gòu)顏色和光譜、熱管理的有序光熱材料?；谥芷谛耘帕薪Y(jié)構(gòu)的光子晶體（PC）通過其光子帶隙（PBG）有效地操縱光的傳播和光子運動，進(jìn)而有助于操縱光與介質(zhì)的相互作用并產(chǎn)生獨特的結(jié)構(gòu)顏色，為探索研究太陽能蒸發(fā)材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系提供了新的途徑，這極大地促進(jìn)未來太陽能蒸發(fā)的傳感、通信的發(fā)展。采用乳液聚合和原位化學(xué)偶聯(lián)反應(yīng)制備P（St-AA）/PPy NPs為基礎(chǔ)， 首先，通過Langmuir-Blodgett（LB）、微流控技術(shù)，制備了包括層狀光子晶體（PC）納米薄膜、PC微珠。更重要的是，采用微流控3D打印技術(shù)的先進(jìn)工藝（微流體靜電3D打印紡絲機(jī)由南京捷納思新材料有限公司提供），制造了具有任意可調(diào)、精確設(shè)計架構(gòu)和理想光學(xué)和機(jī)械性能的復(fù)雜幾何形狀（3D PC支架）。P（St-AA）/PPy NPs具有優(yōu)異的親水性，有利于內(nèi)部光反射和快速水輸送。由于在有序受限結(jié)構(gòu)內(nèi)增強(qiáng)光的內(nèi)部傳遞和降低蒸發(fā)焓，多維PC蒸發(fā)器在1個太陽下獲得了2.23、2.14和2.0 kg m-2h−1 的太陽蒸發(fā)率，蒸發(fā)效率分別為92.9%、85.4%和92.3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于無序PC薄膜。這種光熱光子晶體結(jié)構(gòu)和可控的組裝策略為構(gòu)建新型納米結(jié)構(gòu)和多功能光熱材料以實現(xiàn)高效太陽能蒸發(fā)提供了巨大的潛力。

該研究成果于近日被發(fā)表在國際重要刊物《Chemical Engineering Journal》(DOI: 10.1016/j.cej.2023.143389)上。“Orderly-assembled photothermal photonic crystals with multiple structural colors for high-performance interfacial solar desalination” 。南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院、材料化學(xué)工程國家重點實驗室陳蘇教授與朱亮亮教授為共同通訊。南京工業(yè)大學(xué)研究生劉亞茹為第一作者。

該課題得到了國家自然科學(xué)基金（21736006，21908104），江蘇省特聘教授計劃，江蘇省高等教育機(jī)構(gòu)優(yōu)先學(xué)術(shù)計劃開發(fā)（PAPD）的資助和支持。

圖1、微流體靜電3D打印紡絲機(jī)（南京捷納思新材料有限公司與南京貝爾時代科技有限公司）

圖2. (a) P（St-AA）/PPy-PC合成示意圖。(b) P（St-AA）/PPy的結(jié)構(gòu)示意圖。(c) P（St-AA）/PPy膠體顆粒在PC膜上的高效組裝。(d) 通過LB、微流控和3D打印技術(shù)跨尺度組裝有序PC結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖3. (a-b) P（St-AA）和P（St-AA）/PPy NP的SEM圖像。插圖：P（St-AA）和P（St-AA）/PPy NP的直徑分布。(c) P（St-AA）/PPy NP的TEM圖像。(d) P（St-AA）和P（St-AA）/PPy薄膜的反射光譜。(e) P（St-AA）、PPy和P（St-AA）/PPy NPs的FT-IR光譜。（f） P（St-AA）/PPy-NPs對C1s和N1s的高分辨率XPS光譜。

圖4. (a) P（St-AA）和P（St-AA）/PPy-PC薄膜的水接觸角測試。(b) P（St-AA）和P（St-AA）/PPy-PC薄膜的反射光譜和透射光譜。(c) 干燥的P（St-AA）和P（St-AA）/PPy-PC薄膜的表面升溫圖。(d-f) 太陽能蒸發(fā)圖、具有不同PPy含量的薄膜在1個太陽下的蒸發(fā)速率和溫度隨時間變化的示意圖。

圖5. LB技術(shù)和逐層堆疊法制備層可控PC薄膜的示意圖以及有序PC薄膜的蒸發(fā)增強(qiáng)機(jī)制。

圖6. 微流控技術(shù)制備P（St-AA）/PPy微珠的示意圖及P（St-AA）/PPy微珠的太陽能蒸發(fā)機(jī)理。

圖7. P（St-AA）和P（St-AA）/PPy 3D打印示意圖及跨尺度組裝的光子晶體基蒸發(fā)器對海水蒸發(fā)性能的研究。