南开曹墨源/北航刘克松《Adv. Sci.》：兼具Janus结构和光热性能的智能除湿屋顶
智能材料和绿色建筑的发展需要更有效、低耗的控制环境参数的方法，比如温度、湿度、化学品浓度等。流体操控界面可以在低耗或零能耗的条件下，控制液体和气体的分布、注入和分离，提高已有系统的效率和功能。在过去十年，界面日光增强蒸发在海水淡化、大气采水等领域得到了广泛研究并显示出广阔前景。将流体操控界面合理引入，可以为新型日光蒸发界面增添更多的功能和可能性。
通过整合Janus界面的单向液体操纵和太阳能界面蒸发层，南开大学材料科学与工程学院曹墨源团队联合北京航空航天大学化学学院刘克松团队，报道了一种Janus叠层太阳能除湿界面。该界面可用于室内环境的可转换湿度管理，能够实现自发且连续驱动的冷凝液滴反重力输运和液体/蒸汽单向向外输送。该研究构建了一种可除湿/挡雨的智能屋顶。相关成果Unidirectional Moisture Delivery via a Janus Photothermal Interface for Indoor Dehumidification: A Smart Roof发表于Advanced Science, 2023, 10, 2301421，论文第一作者为硕士研究生施文博和博士研究生白浩宇，曹墨源研究员与刘克松教授为论文共同通讯作者。
图1：（a）JSDI的独特室内除湿功能说明。（b）典型的JSDI的设计和制造由三层组成。
Janus太阳能除湿界面（Janus Solar Dehumidifying Interface，简称为JSDI）的特点在于，它将超亲水和超疏水性质相结合，实现了室内水汽的自由通过和外部液体的阻挡。其中的吸光层使液体能够在晴天迅速汽化，形成了一个连续的除湿过程。即使液体滴落或喷射，也能有效防止液体向内渗透，并引导水流，在雨天起到除水作用。此外，该界面还可以驱动冷凝液滴反重力输送，实现液体单向向外输送的功能。
图2：JSDI的单向液体操纵。（a）液滴从JSDI下方注射。（b）液滴从JSDI上方注射。（c）动态水流下，向下的液体渗透仍然被JSDI所阻挡。积水通过亲水的虹吸结构被排出和收集。（d）没有超亲水层的缓冲作用，液滴在撞击时将部分穿过疏水网，导致液体屏蔽失败。
具有Janus润湿性的不对称界面为实现液体的单向渗透提供了一种有用的方法。对于JSDI，疏水铜网和亲水吸水层的复杂结构是一个典型的具有大孔隙的Janus界面。液体能轻易地从疏水铜网渗透至亲水层（即渗透方向），而在相反的方向（阻挡方向）却失败了。这种单向液体渗透取决于表面能梯度。
图3：雾气/蒸汽收集下的JSDI的单向液体操纵。（a）雾气收集实验被用来说明连续过程的可用性。（b）对于单层疏水网来说，生长的液滴不能上浮，而是变大，最终向下滴落。（c）雾气收集过程中Janus结构和疏水网的直接比较。（d）集成式集雾器由Janus结构和虹吸结构组成，可以实现雾气捕捉、液体输送和水排放的连续过程。（e）单向雾气收集机制的示意图。
在对JSDI的单向液体操纵进行研究后，需要考虑复杂的外向水分输送过程，包括微滴捕获、微滴生长和反重力输送等。为了测试JSDI的适应性，作者进行了集雾实验来显示其连续过程的可用性。在向上的雾流下，微小的液滴首先被疏水网的下表面捕获。这些液滴通过与其他液滴凝聚而继续增长，最终挂在铜网上。一旦液滴接触到上面的亲水层，它会迅速上浮并被吸收。
图4：JSDI的实验室内除湿性能。（a）带有温度和湿度传感器的除湿实验装置。（b）内部空气温度，（c）相对湿度，（d）水温，以及（e）表面温度在除湿过程中被连续记录。（f）不同类型的界面在不同的内水温度下的水分蒸发率。（g）JSDI在200-2500nm之间的紫外—可见—近红外（UV-VIS-NIR）光谱。（h）COMSOL模拟了封闭式、半封闭式和开放式系统的蒸汽排放行为。
反重力液体输送非常适用于输送冷凝水，因为水汽和JSDI的放置方向一致。为了测试JSDI的除湿能力，作者在实验室中对黑色JSDI、白色JSDI、封闭系统和开放系统的除湿性能进行了测试，并记录了内部空气温度和相对湿度、水温和上表面温度。实验中发现，高温有助于提高界面除湿效率。黑色和白色JSDI的效率差异达到1.46倍。此外，作者还进行了日光蒸发光热转换效率实验，结果显示黑色JSDI的转换效率约为90.8%，表现出良好的光热性能。
图5：JSDI在晴天的实际除湿性能。（a）基于JSDI的智能屋顶的示意图。（b） 不同天气条件下智能屋顶的除湿和防水逻辑。（c）JSDI智能屋顶的户外实验装置。JSDI屋顶的制作可以按比例放大。四种测试界面对应的系统除湿性能比较。（d）除湿过程中连续记录相对湿度、（e）内部空气温度和（f）表面温度。（g）不同容器在实际太阳照射下3小时的水分蒸发率。
JSDI智能屋顶的除湿性能在晴天的真实环境中进行了测试。借助独特的液体操纵和太阳能蒸发技术，JSDI已经被成功地设计成一个可切换和节能的智能屋顶，其除湿性能已经得到了验证。当前的JSDI智能屋顶更像是一个排出水汽的窗口，用于控制和降低室内的湿度。该工作的目标是扩展Janus界面和太阳蒸发的研究范围，以满足绿色建筑、智能工厂和设备保护等领域的需求。
本工作受到国家自然科学基金项目、国家重点研发计划、物质绿色创造与制造海河实验室、以及北京市科技新星计划的资助。南开大学仿生功能界面课题组（Bioinspired Functional Interface, BiFi），诚邀本科生、研究生及科研人员合作或加入，主页：https://mse.nankai.edu.cn/cmy/list.htm，联系方式：mycao@nankai.edu.cn。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202301421
