南工大陈苏教授团队：面向光热太阳能海水淡化的微流控3D打印有序光子晶体膜成果

来源：国际仿生工程学会

淡水资源在人类社会的发展中发挥着至关重要的作用，随着人口的增加、工业经济的增长和水体污染的加剧，全球对淡水资源的需求也在增加。然而，包覆式太阳能蒸发器存在无法吸收入射光线的缺点，导致太阳能吸收器的效率较低。因此界面式太阳能蒸发系统因其环保、高效、节能的特点，引起了广泛的关注。但是无序结构的太阳能蒸发材料存在光吸收少，光热转换低以及水传输受限等问题是实际应用中不可避免的阻碍。因此，如何用先进有序微结构材料实现蒸发器件的高性能化是能源化工领域前沿课题之一。

针对上述科学问题和关键影响因素，近日，南京工业大学化工学院、材料化学工程国家重点实验室陈苏教授、朱亮亮教授等人，创新性从构建先进多维有序微结构光热蒸发器入手，分别通过Langmuir-Blodgett（LB）、微流控3D打印技术的先进工艺，设计一种明亮结构颜色和光谱、热管理的有序光热材料。基于周期性排列结构的光子晶体（PC）通过其光子带隙（PBG）有效地操纵光的传播和光子运动，进而有助于操纵光与介质的相互作用并产生独特的结构颜色，为探索研究太阳能蒸发材料的结构-性能关系提供了新的途径，这极大地促进未来太阳能蒸发的传感、通信的发展。采用乳液聚合和原位化学偶联反应制备P（St-AA）/PPy NPs为基础， 首先，通过Langmuir-Blodgett（LB）、微流控技术，制备了包括层状光子晶体（PC）纳米薄膜、PC微珠。更重要的是，采用微流控3D打印技术的先进工艺（微流体静电3D打印纺丝机由南京捷纳思新材料有限公司提供），制造了具有任意可调、精确设计架构和理想光学和机械性能的复杂几何形状（3D PC支架）。P（St-AA）/PPy NPs具有优异的亲水性，有利于内部光反射和快速水输送。由于在有序受限结构内增强光的内部传递和降低蒸发焓，多维PC蒸发器在1个太阳下获得了2.23、2.14和2.0 kg m-2h−1 的太阳蒸发率，蒸发效率分别为92.9%、85.4%和92.3%，远远优于无序PC薄膜。这种光热光子晶体结构和可控的组装策略为构建新型纳米结构和多功能光热材料以实现高效太阳能蒸发提供了巨大的潜力。

该研究成果于近日被发表在国际重要刊物《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” 。南京工业大学化工学院、材料化学工程国家重点实验室陈苏教授与朱亮亮教授为共同通讯。南京工业大学研究生刘亚茹为第一作者。

该课题得到了国家自然科学基金（21736006，21908104），江苏省特聘教授计划，江苏省高等教育机构优先学术计划开发（PAPD）的资助和支持。

图1、微流体静电3D打印纺丝机（南京捷纳思新材料有限公司与南京贝尔时代科技有限公司）

图2. (a) P（St-AA）/PPy-PC合成示意图。(b) P（St-AA）/PPy的结构示意图。(c) P（St-AA）/PPy胶体颗粒在PC膜上的高效组装。(d) 通过LB、微流控和3D打印技术跨尺度组装有序PC结构的示意图。

图3. (a-b) P（St-AA）和P（St-AA）/PPy NP的SEM图像。插图：P（St-AA）和P（St-AA）/PPy NP的直径分布。(c) P（St-AA）/PPy NP的TEM图像。(d) P（St-AA）和P（St-AA）/PPy薄膜的反射光谱。(e) P（St-AA）、PPy和P（St-AA）/PPy NPs的FT-IR光谱。（f） P（St-AA）/PPy-NPs对C1s和N1s的高分辨率XPS光谱。

图4. (a) P（St-AA）和P（St-AA）/PPy-PC薄膜的水接触角测试。(b) P（St-AA）和P（St-AA）/PPy-PC薄膜的反射光谱和透射光谱。(c) 干燥的P（St-AA）和P（St-AA）/PPy-PC薄膜的表面升温图。(d-f) 太阳能蒸发图、具有不同PPy含量的薄膜在1个太阳下的蒸发速率和温度随时间变化的示意图。

图5. LB技术和逐层堆叠法制备层可控PC薄膜的示意图以及有序PC薄膜的蒸发增强机制。

图6. 微流控技术制备P（St-AA）/PPy微珠的示意图及P（St-AA）/PPy微珠的太阳能蒸发机理。

图7. P（St-AA）和P（St-AA）/PPy 3D打印示意图及跨尺度组装的光子晶体基蒸发器对海水蒸发性能的研究。