南工大陳蘇教授團隊：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
時間：2023-07-25 11:28 來源：國際仿生工程學會 作者：admin 閱讀：次
淡水資源在人類社會的發展中發揮著至關重要的作用，隨著人口的增加、工業經濟的增長和水體污染的加劇，全球對淡水資源的需求也在增加。然而，包覆式太陽能蒸發器存在無法吸收入射光線的缺點，導致太陽能吸收器的效率較低。因此界面式太陽能蒸發系統因其環保、高效、節能的特點，引起了廣泛的關注。但是無序結構的太陽能蒸發材料存在光吸收少，光熱轉換低以及水傳輸受限等問題是實際應用中不可避免的阻礙。因此，如何用先進有序微結構材料實現蒸發器件的高性能化是能源化工領域前沿課題之一。
針對上述科學問題和關鍵影響因素，近日，南京工業大學化工學院、材料化學工程國家重點實驗室陳蘇教授、朱亮亮教授等人，創新性從構建先進多維有序微結構光熱蒸發器入手，分別通過Langmuir-Blodgett（LB）、微流控3D打印技術的先進工藝，設計一種明亮結構顏色和光譜、熱管理的有序光熱材料。基于周期性排列結構的光子晶體（PC）通過其光子帶隙（PBG）有效地操縱光的傳播和光子運動，進而有助于操縱光與介質的相互作用并產生獨特的結構顏色，為探索研究太陽能蒸發材料的結構-性能關系提供了新的途徑，這極大地促進未來太陽能蒸發的傳感、通信的發展。采用乳液聚合和原位化學偶聯反應制備P（St-AA）/PPy NPs為基礎， 首先，通過Langmuir-Blodgett（LB）、微流控技術，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打印技術的先進工藝（微流體靜電3D打印紡絲機由南京捷納思新材料有限公司提供），制造了具有任意可調、精確設計架構和理想光學和機械性能的復雜幾何形狀（3D PC支架）。P（St-AA）/PPy NPs具有優異的親水性，有利于內部光反射和快速水輸送。由于在有序受限結構內增強光的內部傳遞和降低蒸發焓，多維PC蒸發器在1個太陽下獲得了2.23、2.14和2.0 kg m-2h−1 的太陽蒸發率，蒸發效率分別為92.9%、85.4%和92.3%，遠遠優于無序PC薄膜。這種光熱光子晶體結構和可控的組裝策略為構建新型納米結構和多功能光熱材料以實現高效太陽能蒸發提供了巨大的潛力。
該研究成果于近日被發表在國際重要刊物《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” 。南京工業大學化工學院、材料化學工程國家重點實驗室陳蘇教授與朱亮亮教授為共同通訊。南京工業大學研究生劉亞茹為第一作者。
該課題得到了國家自然科學基金（21736006，21908104），江蘇省特聘教授計劃，江蘇省高等教育機構優先學術計劃開發（PAPD）的資助和支持。
針對上述科學問題和關鍵影響因素，近日，南京工業大學化工學院、材料化學工程國家重點實驗室陳蘇教授、朱亮亮教授等人，創新性從構建先進多維有序微結構光熱蒸發器入手，分別通過Langmuir-Blodgett（LB）、微流控3D打印技術的先進工藝，設計一種明亮結構顏色和光譜、熱管理的有序光熱材料。基于周期性排列結構的光子晶體（PC）通過其光子帶隙（PBG）有效地操縱光的傳播和光子運動，進而有助于操縱光與介質的相互作用并產生獨特的結構顏色，為探索研究太陽能蒸發材料的結構-性能關系提供了新的途徑，這極大地促進未來太陽能蒸發的傳感、通信的發展。采用乳液聚合和原位化學偶聯反應制備P（St-AA）/PPy NPs為基礎， 首先，通過Langmuir-Blodgett（LB）、微流控技術，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打印技術的先進工藝（微流體靜電3D打印紡絲機由南京捷納思新材料有限公司提供），制造了具有任意可調、精確設計架構和理想光學和機械性能的復雜幾何形狀（3D PC支架）。P（St-AA）/PPy NPs具有優異的親水性，有利于內部光反射和快速水輸送。由于在有序受限結構內增強光的內部傳遞和降低蒸發焓，多維PC蒸發器在1個太陽下獲得了2.23、2.14和2.0 kg m-2h−1 的太陽蒸發率，蒸發效率分別為92.9%、85.4%和92.3%，遠遠優于無序PC薄膜。這種光熱光子晶體結構和可控的組裝策略為構建新型納米結構和多功能光熱材料以實現高效太陽能蒸發提供了巨大的潛力。
該研究成果于近日被發表在國際重要刊物《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” 。南京工業大學化工學院、材料化學工程國家重點實驗室陳蘇教授與朱亮亮教授為共同通訊。南京工業大學研究生劉亞茹為第一作者。
該課題得到了國家自然科學基金（21736006，21908104），江蘇省特聘教授計劃，江蘇省高等教育機構優先學術計劃開發（PAPD）的資助和支持。
圖1、微流體靜電3D打印紡絲機（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的結構示意圖。(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打印技術跨尺度組裝有序PC結構的示意圖。
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)
太陽能蒸發圖、具有不同PPy含量的薄膜在1個太陽下的蒸發速率和溫度隨時間變化的示意圖。
圖5. LB技術和逐層堆疊法制備層可控PC薄膜的示意圖以及有序PC薄膜的蒸發增強機制。
圖6. 微流控技術制備P（St-AA）/PPy微珠的示意圖及P（St-AA）/PPy微珠的太陽能蒸發機理。
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器對海水蒸發性能的研究。
(責任編輯：admin)
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