湖南大學王兆龍課題組《Solar RRL》：3D打印仿生太陽能蒸發器

自然界的樹木依靠其*的根莖系統，可以從很深的土壤里吸取水分，利用毛細力向上運輸到葉片中進行光合作用（圖1a）。受此啟發，湖南大學王兆龍副教授、段輝高教授與東南大學陳永平教授、北京理工大學孔慧副研究員及上海交通大學鄭平院士合作，在《Solar RRL》期刊上發表了題為“3D printed bionic solar evaporator"的文章。該文章利用面投影微立體光刻技術（nanoArch P140，摩方精密）制備了仿生微通道及水凝膠蒸發器樣品。在經過處理后，形成了富含碳納米顆粒的多孔水凝膠網絡結構及仿生微通道的復合蒸發器結構。在毛細力的作用下，液體會從微通道底部輸運到水凝膠網絡中，在太陽光的照射下水凝膠在碳納米顆粒的光熱作用下迅速升溫而將水快速蒸發，最終實現太陽能蒸發器吸水和蒸發的動態平衡。

圖1 一種仿生太陽能蒸發器。（a）樹木吸水及蒸騰作用。（b）多孔水凝膠網絡結構及仿生微通道的復合太陽能蒸發器結構。

具體的加工過程如圖2a-b所示，水凝膠蒸發器結構由NIPAAm（聚-N-異丙基丙烯酰胺）與AAm（丙烯酰胺）單體聚合而成，在碳納米顆粒的修飾下即可實現對太陽能的吸收。水凝膠蒸發器的形貌如圖2c所示，內部凝膠網絡的孔徑為30微米左右，網絡上附有一層致密的碳納米顆粒，顆粒尺寸為20-30納米左右。

圖2 加工過程及形貌表征。（a）水凝膠蒸發器加工過程。（b）微通道加工過程。（c）水凝膠表面形貌及碳納米顆粒形貌。（d）微通道形狀結構。

基于仿生太陽能蒸發器優秀的蒸發性能與液體輸運能力，研究人員將其應用在污水降解及海水淡化等應用中去。如圖3a所示，污水中的一些大分子顆粒等污染物質會被水凝膠網絡吸附，從而達成污水凈化的目的。研究人員主要對有機染劑、酸堿以及重金屬離子等污染物進行降解研究，對降解前后污染物的濃度進行對比。研究結果如圖3b-d所示，仿生太陽能蒸發器對有機染劑的凈化效率高達94%，能將酸堿全部過濾掉，對重金屬顆粒的凈化效果更是高達99.99%。除此之外，研究人員還對該太陽能蒸發器的穩定性進行了探究，如圖3e所示，經過連續十四天的連續使用，仍能保持4.12kg/m2 h的蒸發速率以及92.5%的太陽能利用效率，證明了該蒸發器的穩定性。

圖3 太陽能蒸發器應用。（a）水凝膠網絡的凈化與過濾能力。（b）對有機染劑的凈化效果。（c）對酸堿的凈化效果。（d）對重金屬離子的凈化效果。（e）太陽能蒸發器的穩定性。

該項研究成果獲得國家自然科學基金委，湖南省優秀青年基金，廣東省重大專項及國防科工局民用航天項目等研究項目支持。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1002/solr.202101063