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南開(kāi)曹墨源/北航劉克松《Adv. Sci.》：兼具Janus結(jié)構(gòu)和光熱性能的智能除濕屋頂
2023-05-31  來(lái)源：高分子科技

  智能材料和綠色建筑的發(fā)展需要更有效、低耗的控制環(huán)境參數(shù)的方法，比如溫度、濕度、化學(xué)品濃度等。流體操控界面可以在低耗或零能耗的條件下，控制液體和氣體的分布、注入和分離，提高已有系統(tǒng)的效率和功能。在過(guò)去十年，界面日光增強(qiáng)蒸發(fā)在海水淡化、大氣采水等領(lǐng)域得到了廣泛研究并顯示出廣闊前景。將流體操控界面合理引入，可以為新型日光蒸發(fā)界面增添更多的功能和可能性。



  通過(guò)整合Janus界面的單向液體操縱和太陽(yáng)能界面蒸發(fā)層，南開(kāi)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院曹墨源團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院劉克松團(tuán)隊(duì)，報(bào)道了一種Janus疊層太陽(yáng)能除濕界面。該界面可用于室內(nèi)環(huán)境的可轉(zhuǎn)換濕度管理，能夠?qū)崿F(xiàn)自發(fā)且連續(xù)驅(qū)動(dòng)的冷凝液滴反重力輸運(yùn)和液體/蒸汽單向向外輸送。該研究構(gòu)建了一種可除濕/擋雨的智能屋頂。相關(guān)成果Unidirectional Moisture Delivery via a Janus Photothermal Interface for Indoor Dehumidification: A Smart Roof發(fā)表于Advanced Science, 2023, 10, 2301421，論文第一作者為碩士研究生施文博和博士研究生白浩宇，曹墨源研究員與劉克松教授為論文共同通訊作者。 


圖1：（a）JSDI的獨(dú)特室內(nèi)除濕功能說(shuō)明。（b）典型的JSDI的設(shè)計(jì)和制造由三層組成。


  Janus太陽(yáng)能除濕界面（Janus Solar Dehumidifying Interface，簡(jiǎn)稱為JSDI）的特點(diǎn)在于，它將超親水和超疏水性質(zhì)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)水汽的自由通過(guò)和外部液體的阻擋。其中的吸光層使液體能夠在晴天迅速汽化，形成了一個(gè)連續(xù)的除濕過(guò)程。即使液體滴落或噴射，也能有效防止液體向內(nèi)滲透，并引導(dǎo)水流，在雨天起到除水作用。此外，該界面還可以驅(qū)動(dòng)冷凝液滴反重力輸送，實(shí)現(xiàn)液體單向向外輸送的功能。 


圖2：JSDI的單向液體操縱。（a）液滴從JSDI下方注射。（b）液滴從JSDI上方注射。（c）動(dòng)態(tài)水流下，向下的液體滲透仍然被JSDI所阻擋。積水通過(guò)親水的虹吸結(jié)構(gòu)被排出和收集。（d）沒(méi)有超親水層的緩沖作用，液滴在撞擊時(shí)將部分穿過(guò)疏水網(wǎng)，導(dǎo)致液體屏蔽失敗。


  具有Janus潤(rùn)濕性的不對(duì)稱界面為實(shí)現(xiàn)液體的單向滲透提供了一種有用的方法。對(duì)于JSDI，疏水銅網(wǎng)和親水吸水層的復(fù)雜結(jié)構(gòu)是一個(gè)典型的具有大孔隙的Janus界面。液體能輕易地從疏水銅網(wǎng)滲透至親水層（即滲透方向），而在相反的方向（阻擋方向）卻失敗了。這種單向液體滲透取決于表面能梯度。 


圖3：霧氣/蒸汽收集下的JSDI的單向液體操縱。（a）霧氣收集實(shí)驗(yàn)被用來(lái)說(shuō)明連續(xù)過(guò)程的可用性。（b）對(duì)于單層疏水網(wǎng)來(lái)說(shuō)，生長(zhǎng)的液滴不能上浮，而是變大，最終向下滴落。（c）霧氣收集過(guò)程中Janus結(jié)構(gòu)和疏水網(wǎng)的直接比較。（d）集成式集霧器由Janus結(jié)構(gòu)和虹吸結(jié)構(gòu)組成，可以實(shí)現(xiàn)霧氣捕捉、液體輸送和水排放的連續(xù)過(guò)程。（e）單向霧氣收集機(jī)制的示意圖。


  在對(duì)JSDI的單向液體操縱進(jìn)行研究后，需要考慮復(fù)雜的外向水分輸送過(guò)程，包括微滴捕獲、微滴生長(zhǎng)和反重力輸送等。為了測(cè)試JSDI的適應(yīng)性，作者進(jìn)行了集霧實(shí)驗(yàn)來(lái)顯示其連續(xù)過(guò)程的可用性。在向上的霧流下，微小的液滴首先被疏水網(wǎng)的下表面捕獲。這些液滴通過(guò)與其他液滴凝聚而繼續(xù)增長(zhǎng)，最終掛在銅網(wǎng)上。一旦液滴接觸到上面的親水層，它會(huì)迅速上浮并被吸收。 


圖4：JSDI的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)除濕性能。（a）帶有溫度和濕度傳感器的除濕實(shí)驗(yàn)裝置。（b）內(nèi)部空氣溫度，（c）相對(duì)濕度，（d）水溫，以及（e）表面溫度在除濕過(guò)程中被連續(xù)記錄。（f）不同類型的界面在不同的內(nèi)水溫度下的水分蒸發(fā)率。（g）JSDI在200-2500nm之間的紫外—可見(jiàn)—近紅外（UV-VIS-NIR）光譜。（h）COMSOL模擬了封閉式、半封閉式和開(kāi)放式系統(tǒng)的蒸汽排放行為。


  反重力液體輸送非常適用于輸送冷凝水，因?yàn)樗?/span>JSDI的放置方向一致。為了測(cè)試JSDI的除濕能力，作者在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)黑色JSDI、白色JSDI、封閉系統(tǒng)和開(kāi)放系統(tǒng)的除濕性能進(jìn)行了測(cè)試，并記錄了內(nèi)部空氣溫度和相對(duì)濕度、水溫和上表面溫度。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，高溫有助于提高界面除濕效率。黑色和白色JSDI的效率差異達(dá)到1.46倍。此外，作者還進(jìn)行了日光蒸發(fā)光熱轉(zhuǎn)換效率實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示黑色JSDI的轉(zhuǎn)換效率約為90.8%，表現(xiàn)出良好的光熱性能。 


圖5：JSDI在晴天的實(shí)際除濕性能。（a）基于JSDI的智能屋頂的示意圖。（b） 不同天氣條件下智能屋頂?shù)某凉窈头浪壿。?/span>c）JSDI智能屋頂?shù)膽敉鈱?shí)驗(yàn)裝置。JSDI屋頂?shù)闹谱骺梢园幢壤糯。四種測(cè)試界面對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)除濕性能比較。（d）除濕過(guò)程中連續(xù)記錄相對(duì)濕度、（e）內(nèi)部空氣溫度和（f）表面溫度。（g）不同容器在實(shí)際太陽(yáng)照射下3小時(shí)的水分蒸發(fā)率。


  JSDI智能屋頂?shù)某凉裥阅茉谇缣斓恼鎸?shí)環(huán)境中進(jìn)行了測(cè)試。借助獨(dú)特的液體操縱和太陽(yáng)能蒸發(fā)技術(shù)，JSDI已經(jīng)被成功地設(shè)計(jì)成一個(gè)可切換和節(jié)能的智能屋頂，其除濕性能已經(jīng)得到了驗(yàn)證。當(dāng)前的JSDI智能屋頂更像是一個(gè)排出水汽的窗口，用于控制和降低室內(nèi)的濕度。該工作的目標(biāo)是擴(kuò)展Janus界面和太陽(yáng)蒸發(fā)的研究范圍，以滿足綠色建筑、智能工廠和設(shè)備保護(hù)等領(lǐng)域的需求。


  本工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、物質(zhì)綠色創(chuàng)造與制造海河實(shí)驗(yàn)室、以及北京市科技新星計(jì)劃的資助。南開(kāi)大學(xué)仿生功能界面課題組（Bioinspired Functional Interface, BiFi），誠(chéng)邀本科生、研究生及科研人員合作或加入，主頁(yè)：https://mse.nankai.edu.cn/cmy/list.htm，聯(lián)系方式：mycao@nankai.edu.cn。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202301421

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