美国东北大学郑义教授课题组 JMCA：在基于waterbomb折纸的太阳能蒸发器上取得进展

2022-08-18 来源：高分子科技

界面蒸发太阳能海水淡化对于缓解全球淡水危机来说是一种很有前景的低成本方式。相对于传统的二维结构的光热蒸发器，三维结构的太光热蒸发器因其具有更大的蒸发面积，有效利用周围环境热量，再循环利用水蒸气凝结释放的潜热，以及有效利用空气对流运动，使其蒸发效率能够远超蒸发理论值（1.46 kg m^-2 h^-1）。但是，蒸发器的三维空间造型往往会占用更多的存储空间，给长途运输和长期储存带来额外的成本。阻碍三维光热蒸发器广泛实施的另一个可能因素是多组件组装结构的复杂性，这通常会损害蒸发器的长期稳定性。因此，便携性和灵活性的提高将有利于三维光热蒸发器的实际应用。

对此，受折纸结构的灵活性和可部署性的启发，郑义教授团队展示了一种便携式基于waterbomb模型的折纸结构作为可转换的光热蒸发器，他们称之为Origami tower。它漂浮在水面上以实现高效的太阳能驱动界面淡化，如图1所示。Origami tower的几何结构利用折纸设计的可预测变形性，具有径向可逆膨胀/收缩的能力并且伴随着轴向相对较小的变形。其中，采用商用的亲水性纤维素纸作为Origami tower的框架，选择PPy作为光热材料实现光热转换。最初，Origami tower的形状近似于带有尖顶的圆柱体。随着直径的逐渐扩大，以折纸为基础的光热蒸发器逐渐变成一个底部部分浸没在水中的塔状结构，即所谓的Origami tower。直径可逆变化的折纸塔在长途运输和长期储存方面具有独特的优势。不使用时，Origami tower缩小到初始状态，占用空间更小，外观规则，便于携带。在使用过程中，收缩的Origami tower将扩展为塔，占用更多空间，更有效地进行太阳能驱动的水蒸发。这也使Origami tower作为光热蒸发器，在偏远地区的个人或小社区的实际应用中具有巨大的潜力。相关论文以题为A waterbomb origami tower for convertible photothermal evaporation发表在《Journal of Materials Chemistry A》。通讯作者是美国东北大学郑义教授。DOI: 10.1039/D2TA04365C

图1. 便携式Origami tower用作可转换光热蒸发器的示意图。 (a) 传统的二维结构和三维Origami tower的光热蒸发器示意图。 (b-d) Origami tower的吸光光、输水和蒸汽扩散示意图。

图2. 可转换的Origami tower由标准的六折waterbomb图案组成。(a) Origami tower的折叠过程。(b) Origami tower的 2D 折痕图（左）和相应的 3D 配置（右）。(c) 分别在俯视图和透视图中的水waterbomb图案基本单元的配置变化。(d) waterbomb折纸图案的几何参数。(e) 投影面积随 θ 变化。

图3. 复合纸张的特性。(a) 原始纤维素纸和浸湿状态下 PPy 复合纤维素纸的太阳能吸收光谱。(b) 原始纤维素纸、PPy 粉末和 PPy 复合纤维素纸的 FTIR 光谱。(c) 原始纤维素纸和 PPy 复合纤维素纸分别在干态和湿态下的拉伸应力-应变曲线。（d，e）SEM图像显示了不同放大倍率下展开的原始纤维素纸和 PPy 复合纤维素纸的表面形态。(f) PPy复合纤维素纸折痕的SEM图像。

图4. (a) 可转换Origami tower的膨胀过程和收缩过程。 (b) 用于测量水蒸发率的光热蒸汽发生蒸发装置。(c) 蒸汽发生实验的实验装置。不同直径的纯纤维素纸的Origami tower（d）和黑化纤维素纸的Origami tower（e）在一个太阳照射下水的质量变化。(f) 不同直径的原始Origami tower和黑化Origami tower在太阳光照下的质量变化率和蒸发率与对应投影面积的关系。

图5. (a) Origami tower结构上被划分成分为顶部、中部、底部和水中部分。 (b) 不同直径Origami tower在黑暗环境和太阳照射下光照一小时后的红外热像图。(c) Origami tower在太阳辐照和黑暗环境下沿中部和底部中心线的表面温度分布。(d) Origami tower在太阳照射和黑暗环境下沿中部和底部的一个waterbomb图案边缘的表面温度分布。(e) Origami tower的不同部分（顶部、中间和底部）分别使用铝箔胶带和透明胶带密封的照片。(f) 当Origami tower分别用铝箔胶带和透明胶带部分密封时Origami tower蒸发器中水的质量变化。(g) 铝箔密封的Origami tower和透明胶带密封的Origami tower的顶部、中间和底部分别随时间变化的水量变化差异。

原文链接：https://doi.org/10.1039/D2TA04365C

下载：A waterbomb origami tower for convertible photothermal evaporation

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