華中科技大學(xué)蘇彬教授團(tuán)隊(duì)AFM：取得高濕熱穩(wěn)定的太陽(yáng)能界面水蒸發(fā)3D打印器件新進(jìn)展

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的界面蒸發(fā)是海水淡化和廢水凈化最有前景的技術(shù)之一。然而，在水蒸發(fā)的過(guò)程中，蒸發(fā)器不斷蒸發(fā)水分使得儲(chǔ)水槽中的水逐漸減少，甚至變干涸，這將導(dǎo)致蒸發(fā)器發(fā)生從濕潤(rùn)狀態(tài)變?yōu)榘霛駶?rùn)狀態(tài)，甚至完全干燥狀態(tài)的物理變化。只有再往儲(chǔ)水槽中加入海水或者廢水才能維持整個(gè)系統(tǒng)的持續(xù)進(jìn)行。在蒸干的過(guò)程中，蒸發(fā)器底部的親水材料會(huì)發(fā)生顯著的結(jié)構(gòu)變形，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。因此，開(kāi)發(fā)一種用于太陽(yáng)能界面蒸發(fā)的濕-熱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的多孔超親水材料顯得尤為重要。

最近，來(lái)自華中科技大學(xué)快速制造中心的蘇彬教授團(tuán)隊(duì)（共同一作為吳振華博士、孫冬博士、石聰燦博士）報(bào)道了一種通過(guò)SLS 3D打印策略制備的濕熱穩(wěn)定、超親水的氧化鋁基陶瓷，該陶瓷可用于太陽(yáng)能界面水蒸發(fā)，即使在水分完全蒸發(fā)后也能保持蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。通過(guò)與傳統(tǒng)的基于納米纖維素氣凝膠的蒸發(fā)器和基于木頭的蒸發(fā)器對(duì)比，氧化鋁基陶瓷蒸發(fā)器在干燥10次后仍能保持較高的水蒸發(fā)速率。最后，作者們打印了“I型”的耐鹽蒸發(fā)器，并驗(yàn)證了它們可以在蒸發(fā)海水和20 wt%鹽水的過(guò)程中保持高的蒸發(fā)速率和耐鹽性。本工作制備的濕熱穩(wěn)定的氧化鋁基陶瓷將為穩(wěn)定的太陽(yáng)能界面蒸發(fā)材料的設(shè)計(jì)和制備提供了靈感，并拓展3D打印功能材料的發(fā)展。該工作以“Moisture-Thermal Stable, Superhydrophilic Alumina-Based Ceramics Fabricated by a Selective Laser Sintering 3D Printing Strategy for Solar Steam Generation”為題發(fā)表在最新一期的《Advanced Functional Materials》上。

圖1通過(guò)SLS 3D打印技術(shù)制備超親水氧化鋁基陶瓷，證實(shí)了其快速的抗重力水傳輸能力。

圖2超親水性氧化鋁基陶瓷的參數(shù)調(diào)節(jié)。

圖3 不同材料的蒸發(fā)器在干燥時(shí)的比較，證實(shí)了氧化鋁基陶瓷太陽(yáng)能蒸發(fā)器的在反復(fù)水蒸干過(guò)程中的穩(wěn)定性。

圖4 3D打印的濕熱穩(wěn)定、超親水氧化鋁基蒸發(fā)器在太陽(yáng)能界面蒸發(fā)和耐鹽方面的應(yīng)用，證實(shí)了其耐鹽性能以及長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性。

總結(jié)：該研究報(bào)道的通過(guò)SLS 3D打印策略制備的濕熱穩(wěn)定、超親水氧化鋁基陶瓷可以用作太陽(yáng)能蒸發(fā)器，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效的蒸發(fā)。打印的氧化鋁基陶瓷具有超親水性和優(yōu)異的水傳輸能力，其可以在14 ms內(nèi)沿垂直于打印表面的側(cè)表面快速吸收5 μL水滴。經(jīng)過(guò)十次干燥后，打印樣品仍然保持穩(wěn)定的蒸發(fā)效率，這比基于木材/CNFs的蒸發(fā)器要好得多。此外，蒸發(fā)器在海水和20 wt%的鹽水中具有長(zhǎng)時(shí)間的耐鹽性和穩(wěn)定的蒸發(fā)速率。這項(xiàng)研究的重點(diǎn)是研究親水材料在太陽(yáng)能界面蒸發(fā)過(guò)程中的濕熱穩(wěn)定性，將促進(jìn)穩(wěn)定的太陽(yáng)能界面蒸發(fā)材料和3D打印功能材料的發(fā)展。


參考文獻(xiàn)：
Z. Wu, D. Sun, C. Shi, S. Chen, S. Tang, Y. Li, C. Yan, Y. Shi, and B. Su. Moisture-Thermal Stable, Superhydrophilic Alumina-Based Ceramics Fabricated by a Selective Laser Sintering 3D Printing Strategy for Solar Steam Generation. Adv. Funct. Mater. 2023, 2304897.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202304897.