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。
图1.基于DLP 3D打印技术的三维锥形阵列PxLMTEi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(LMTEi)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,PxLMTEi@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PxLMTEi@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PxLMTEi@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PxLMTEi@MPN基太阳能海水淡化系统的建立和验证。
原文链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.3c12574
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