四川大学张军华教授团队 ACS Nano：融合光谱操纵微纳米结构和表面工程助力3D打印液态金属水凝胶蒸发器实现耐盐太阳能海水淡化

2024-02-22 来源：高分子科技

太阳能高效利用和捕获技术被认为是解决全球能源与水资源短缺问题的有利途径。利用宽带太阳光谱进行海水淡化是一种很有前景的方法，无需复杂的基础设施即可提供淡水。近年来，通过在材料微-纳结构设计、水/蒸气界面和水/盐通道以及光热调控方面进行不断改进，以提高蒸发速率和光热转换效率。然而，部分蒸发器缺乏适当的设计来适配新型光热转换材料，优化并调节太阳能转换过程中的热能损失或盐分积累问题，导致太阳能到蒸汽的效率受到限制。为此，通过设计新型光热转换材料和蒸发器结构实现高效太阳能生产清洁水仍是一个巨大的挑战。

针对上述科学问题和关键影响因素，近日，四川大学张军华教授团队，探索了一种新型可光交联单宁酸介质稳定的共晶镓铟(EGaIn)配合物 (LMTE)作为宽带光吸收剂。此外，创新性提出将LMTE直接与高亲水聚合物和光敏物质复合，成功开发出适用于光固化3D打印工艺的水基光热墨水（图1）。具体来说，通过烯丙基缩水甘油醚（AGE）接枝单宁酸（TA）稳定剂设计一种可调控光谱吸收液态金属（LM）壳层，用于协同LM增强光热性能（图2）。利用液态金属与聚乙烯醇/丙烯酰胺化合物的完美兼容性，将LMTE纳米颗粒均匀的分散在光敏树脂前驱体内，进而在光固化3D打印工艺下实现液态金属与聚乙烯醇/聚丙烯酰胺半互穿网络复合水凝胶蒸发器固化成型，其中利用水/丙三醇来调节粘度，聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)作为交联剂强化网络结构。基于DLP 3D打印工艺协同冰模板技术同步构筑了一种表面阵列式多孔3D毫锥针结构的太阳能蒸发器。更重要的是，集成金属-酚网络（MPNs）工程进一步赋能阵列式多孔结构毫锥针3D蒸发器（图3），用于定向盐结晶，从而实现水供给、脱盐、太阳能蒸发“多合一”功能的连续蒸发过程。

图1.基于DLP 3D打印技术的三维锥形阵列P_xLMTE_i水凝胶光热材料的设计，该材料具有宽带太阳能吸收和局部维纳米热传导能力。

图2.液态金属光热复合纳米材料（LMTE_i）微相结构、光交联/光热性能、及其界面结合能分析表征。

图3. MPNs组装下三维毫锥形阵列混合水凝胶蒸发器的微结构演变，P_xLMTE_i@MPN水凝胶的组装过程示意图及其网络状结构和界面交联特征的嵌入状态。

研究发现，通过自下而上的策略进行合理设计，优化的3D打印P_xLMTE_i@MPN水凝胶蒸发器分别由用于高效光子收集的EGaIn 纳米液滴（即LMTE₆，光热转换效率为67.5%）和用于微-纳通道供水的 MPN涂装毫锥体阵列组成。协同作用下，太阳能蒸发器呈现了卓越的太阳能水蒸发能力（2.96 kg m^-2 h^-1，96.93% 的能效）和出色的太阳能海水淡化能力（盐循环和特定地点盐结晶）（图4）。这项工作展示了新型基于 EGaIn 的光热纳米材料和一种构建太阳能驱动蒸发的热传递的光固化3D打印工艺方法，重点是多功能太阳能蒸发系统的集成（图5）。

图4.优化P_xLMTE_i@MPN水凝胶蒸发器件中，孔结构、光谱吸收特征、水蒸发的表征与和太阳能光热蒸发性能测试。

图5.优化P_xLMTE_i@MPN基太阳能海水淡化系统的建立和验证。

该研究成果于近日被发表在国际重要刊物《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）。 四川大学高分子研究所、高分子材料工程国家重点实验室张军华教授为论文通讯作者，博士研究生杨胜都为第一作者。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.3c12574

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（责任编辑：xu）

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