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四川大學張軍華教授團隊 ACS Nano：融合光譜操縱微納米結構和表面工程助力3D打印液態金屬水凝膠蒸發器實現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被認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，無需復雜的基礎設施即可提供淡水。近年來，通過在材料微-納結構設計、水/蒸氣界面和水/鹽通道以及光熱調控方面進行不斷改進，以提高蒸發速率和光熱轉換效率。然而，部分蒸發器缺乏適當的設計來適配新型光熱轉換材料，優化并調節太陽能轉換過程中的熱能損失或鹽分積累問題，導致太陽能到蒸汽的效率受到限制。為此，通過設計新型光熱轉換材料和蒸發器結構實現高效太陽能生產清潔水仍是一個巨大的挑戰。

針對上述科學問題和關鍵影響因素，近日，四川大學張軍華教授團隊，探索了一種新型可光交聯單寧酸介質穩定的共晶鎵銦(EGaIn)配合物 (LMTE)作為寬帶光吸收劑。此外，創新性提出將LMTE直接與高親水聚合物和光敏物質復合，成功開發出適用于光固化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）穩定劑設計一種可調控光譜吸收液態金屬（LM）殼層，用于協同LM增強光熱性能（圖2）。利用液態金屬與聚乙烯醇/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體內，進而在光固化3D打印工藝下實現液態金屬與聚乙烯醇/聚丙烯酰胺半互穿網絡復合水凝膠蒸發器固化成型，其中利用水/丙三醇來調節粘度，聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)作為交聯劑強化網絡結構。基于DLP 3D打印工藝協同冰模板技術同步構筑了一種表面陣列式多孔3D毫錐針結構的太陽能蒸發器。更重要的是，集成金屬-酚網絡（MPNs）工程進一步賦能陣列式多孔結構毫錐針3D蒸發器（圖3），用于定向鹽結晶，從而實現水供給、脫鹽、太陽能蒸發“多合一”功能的連續蒸發過程。

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

圖2.液態金屬光熱復合納米材料（LMTE_i）微相結構、光交聯/光熱性能、及其界面結合能分析表征。

圖3. MPNs組裝下三維毫錐形陣列混合水凝膠蒸發器的微結構演變，P_xLMTE_i@MPN水凝膠的組裝過程示意圖及其網絡狀結構和界面交聯特征的嵌入狀態。

研究發現，通過自下而上的策略進行合理設計，優化的3D打印P_xLMTE_i@MPN水凝膠蒸發器分別由用于高效光子收集的EGaIn 納米液滴（即LMTE₆，光熱轉換效率為67.5%）和用于微-納通道供水的 MPN涂裝毫錐體陣列組成。協同作用下，太陽能蒸發器呈現了卓越的太陽能水蒸發能力（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（鹽循環和特定地點鹽結晶）（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建太陽能驅動蒸發的熱傳遞的光固化3D打印工藝方法，重點是多功能太陽能蒸發系統的集成（圖5）。

圖4.優化P_xLMTE_i@MPN水凝膠蒸發器件中，孔結構、光譜吸收特征、水蒸發的表征與和太陽能光熱蒸發性能測試。

圖5.優化P_xLMTE_i@MPN基太陽能海水淡化系統的建立和驗證。

該研究成果于近日被發表在國際重要刊物《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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（責任編輯：xu）

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