网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

文献前沿| Adv. Mater.:微流控制备光热螺旋微纤维用于高效太阳能蒸发

0
分享至





太阳能界面蒸发为低能耗海水淡化和清洁水制备提供了可持续路径,其中纤维膜和织物因柔性好、比表面积大、易于规模化制备而受到广泛关注,但传统平面织物受限于二维结构,蒸发面积和蒸汽扩散空间有限,且易出现盐分积累,单纯依靠表面改性或后续折叠重构也难以实现光、热和水传输的协同调控。针对这一问题,该工作利用微流控纺丝直接制得具有内在三维结构的弹性螺旋凝胶微纤维,并将其组装为光热蒸发织物。材料以海藻酸钠(SA)、羟乙基丙烯酰胺(HEA)和聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)构建亲水交联网络,同时引入多壁碳纳米管实现光热转换,通过调节螺旋节距优化毛细供水、渗透性和蒸汽扩散。螺旋结构形成的多级曲面和内部空腔进一步增强光捕获与热局域,并通过连续液–气界面促进盐分回流和Marangoni对流。该蒸发器兼具高效蒸发、良好耐盐性和形变适应能力,并可进一步用于光跟踪户外蒸发,为纤维基太阳能蒸发器从二维平面结构向纤维尺度三维构型转变提供了新的设计思路。相关工作以Microfluidic-Enabled Elastic Photothermal Helical Gel Microfibers for High-Efficiency Solar Evaporation With Spatially Regulated Light-Thermal-Water Management为题发表在Advanced Materials期刊。


文章首先对比直线微纤维与螺旋微纤维在结构及传输路径上的差异,提出螺旋纤维蒸发界面设计,实现光、热和水传输的空间协同调控(图式1)。随后利用微流控纺丝制备不同节距的螺旋凝胶微纤维,并分析其形成过程和力学性能(图1)。进一步结合润湿性、毛细上升、渗透率计算及水输运实验,确定适宜的螺旋节距和供水性能(图2)。在此基础上引入多壁碳纳米管赋予光热性能,比较不同结构的光吸收、温升和蒸发性能,获得最高3.65 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率(图3)。随后从水分子状态、蒸发焓、热传导和蒸汽扩散解释性能提升机制(图4)。进一步通过高盐蒸发、自清洁、盐传输模拟及户外淡化验证其耐盐和水净化能力(图5)。最后利用螺旋纤维良好的弯曲适应性实现光跟踪蒸发,并在户外测试中获得8.57 kg m⁻² h⁻¹的平均蒸发速率,验证其实际应用潜力(图6)。


图示1.直线微纤维与螺旋微纤维的结构差异及光–热–水调控设计。(a)直线微纤维示意图。(b)螺旋微纤维示意图。(c)具有光–热–水传输空间调控功能的螺旋微纤维蒸发器示意图。


图1.螺旋微纤维的微流控制备、结构调控及力学性能。(a)微流控制备螺旋微纤维的示意图。(b)螺旋结构形成机理示意图。(c)收集后的螺旋微纤维实物图。(d)所制备螺旋微纤维的实物图。(e)不同内相和外相注射速率下螺旋节距的变化。(f、g)对应条件下微纤维的实物图。(h)直线微纤维与螺旋微纤维的拉伸应力–应变曲线。(i)螺旋微纤维拉伸及恢复过程的实物图,比例尺为1 cm。(j)螺旋微纤维缠绕不同形状模具及手指后的实物图,比例尺为1 cm。


图2.螺旋微纤维的结构表征、润湿性及水输运性能。(a) SA和SHP的衰减全反射傅里叶变换红外(ATR-FTIR)光谱。(b) SHP螺旋微纤维的表面扫描电子显微镜(SEM)图像。(c) SHP螺旋微纤维的截面SEM图像。(d) SHP螺旋微纤维织物的接触角测试。(e)螺旋节距小于0.2 mm的单根螺旋微纤维中的自发向上水输运。(f)螺旋微纤维倾斜表面上的毛细驱动液体流动。(g)固体壁面与超亲水水膜界面之间受限环形空间内的液体输运。(h)亲水织物中毛细上升高度随纱线材料水接触角和孔隙边长的变化。(i)基于Kozeny–Carman方程计算的织物渗透率与液体流速。(j)毛细上升速率。(k)输运水质量及毛细上升高度。(l)不同螺旋节距微纤维织物和直线微纤维织物中罗丹明B(RhB)溶液输运过程的实物图。


图3.光热螺旋微纤维的构筑、光热性能及太阳能蒸发性能。(a)多壁碳纳米管(MWCNTs)的微流控引入过程示意图。(b)光热螺旋微纤维织物的实物图。(c) SHP-MWCNTs螺旋微纤维的SEM图像。(d) SHP-MWCNTs和SHP微纤维的紫外–可见–近红外(UV–vis–NIR)光谱。(e)光在螺旋微纤维和直线微纤维内部反射与散射的示意图。(f) SHP织物、SHP-MWCNTs螺旋微纤维织物和直线微纤维织物的表面温度随时间变化。(g) 1 sun光照下SHP-MWCNTs螺旋微纤维织物和直线微纤维织物的红外热成像图。(h)蒸发测试装置及螺旋微纤维织物蒸发器产生水蒸气的示意图。(i)不同螺旋节距微纤维蒸发器及直线微纤维蒸发器的蒸发速率。(j)本文螺旋微纤维蒸发器与已报道纤维基蒸发器的性能对比。(k) SHP-MWCNTs微纤维的拉曼光谱。


图4.螺旋微纤维蒸发器的水状态调控、热局域及蒸汽传输机制。(a) SHP-MWCNTs中不同水分子状态示意图。(b) SHP-MWCNTs、SA-MWCNTs及体相水的差示扫描量热(DSC)曲线。(c) SHP-MWCNTs相较于SA-MWCNTs的等效蒸发焓降低情况。(d)螺旋微纤维蒸发器局域蒸发机制示意图。(e)直线微纤维蒸发器热管理的COMSOL模拟结果。(f)螺旋微纤维蒸发器热管理的COMSOL模拟结果。(g)螺旋微纤维蒸发器在0、120、300和600 s时的水蒸气扩散过程。


图5.螺旋微纤维蒸发器的耐盐机制及实际水净化性能。(a)螺旋微纤维和直线微纤维蒸发器在3.5 wt% NaCl盐水中连续9 h的蒸发速率。(b)螺旋微纤维和直线微纤维蒸发器的盐自清洁过程实物图。(c)螺旋微纤维蒸发器增强排盐机制示意图。(d)直线微纤维蒸发器中盐沉积的COMSOL模拟结果。(e)螺旋微纤维蒸发器中盐沉积的COMSOL模拟结果。(f)户外太阳能海水淡化装置实物图。(g)户外太阳辐照强度、环境温度及水质量变化。(h)模拟海水净化前后金属离子浓度。(i)系统处理pH=0、pH=13.82、茜素黄(AY)和罗丹明B(RhB)溶液时的蒸发速率。(j)酸性/碱性水处理前后的pH试纸实物图。(k) RhB溶液净化前后的UV–vis光谱,插图为相应溶液实物图。(l) AY溶液净化前后的UV–vis光谱,插图为相应溶液实物图。


图6.光跟踪螺旋微纤维蒸发器的形变适应性、水输运及户外蒸发性能。(a)用于光跟踪蒸发的螺旋微纤维和直线微纤维蒸发器示意图。(b)自然状态下螺旋微纤维和直线微纤维蒸发器弯曲角度的实物图。(c)不同弯曲角度下的水输运实物图,包括15°和30°的直线微纤维,以及15°、30°、60°和90°的螺旋微纤维。(d)螺旋微纤维蒸发器在15°、30°、60°和90°弯曲角下的蒸发速率。(e)直线微纤维蒸发器在15°和30°弯曲角下的蒸发速率。(f)光跟踪蒸发器与静态平面蒸发器投影蒸发面积的比较。(g)户外测试期间太阳辐照强度、环境温度,以及静态平面螺旋微纤维蒸发器、光跟踪螺旋微纤维蒸发器和光跟踪直线微纤维蒸发器的蒸发速率。(h)螺旋微纤维蒸发器用于淡水供应的应用前景示意图。

小结:为突破传统平面纤维织物蒸发面积受限、蒸汽扩散受阻和易积盐的问题,文章利用微流控纺丝制备具有内在三维螺旋结构的凝胶微纤维,并引入多壁碳纳米管赋予光热性能,通过调节螺旋节距兼顾毛细供水、渗透性和蒸汽传输。优化后1.0 mm节距样品在1 sun下蒸发速率达到3.65 kg m⁻² h⁻¹,太阳能-蒸汽转换效率为116.3%,凝胶网络将等效蒸发焓降低至1828.3 J g⁻¹。在耐盐方面,材料在3.5 wt% NaCl中连续9 h保持约3.50 kg m⁻² h⁻¹,在20 wt% NaCl中仍可达到2.82 kg m⁻² h⁻¹,并在21 d、每天8 h的盐水蒸发测试中维持约3.50 kg m⁻² h⁻¹。螺旋纤维的拉伸强度达到2.25 MPa,可自然弯曲约120°,具备较好的形变适应性和光跟踪能力。户外测试中,在约950 W m⁻²太阳辐照下,光跟踪蒸发器平均蒸发速率达到8.57 kg m⁻² h⁻¹,显示出较好的实际应用潜力。

论文信息:

Ou J, Wang Y, Wei L, et al. Microfluidic-enabled elastic photothermal helical gel microfibers for high-efficiency solar evaporation with spatially regulated light-thermal-water management[J]. Advanced Materials, 2026: e74963.

https://doi.org/10.1002/adma.74963

都看到这里了,关注一下吧^_^

声明:本文部分素材源自网络,版权归原作者所有。分享旨在促进信息传递与学术交流,不代表本公众号立场,如有不当,请联系我们处理。欢迎从事【太阳能综合利用/辐射制冷/微纳尺度传热】等相关领域学者分享您最新的研究工作,我们将竭诚为您免费推送,投稿邮箱:wangcunhai@ustb.edu.cn,微信:Cunhai_Wang (读者交流群也请添加此微信并注明姓名-单位-空天热辐射交流群).

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
胡锡进:看不懂今天的股市

胡锡进:看不懂今天的股市

新浪财经
2026-10-27 15:49:55
21+32,火箭错误明显!申京谈范弗利特讲出一事实,杜兰特也认清现实

21+32,火箭错误明显!申京谈范弗利特讲出一事实,杜兰特也认清现实

鱼崖大话篮球
2026-10-27 17:37:50
网传女孩抑郁症,结三次婚,每次不到半年就离,彩礼不退,已经攒了几十万,光金手镯就有仨

网传女孩抑郁症,结三次婚,每次不到半年就离,彩礼不退,已经攒了几十万,光金手镯就有仨

丫头舫
2026-10-26 23:07:52
演员黄磊女儿黄多多红毯首秀引热议!

演员黄磊女儿黄多多红毯首秀引热议!

韩小娱
2026-10-25 13:56:15
最佳血压是多少?医生建议:过60岁以后,血压最好保持这标准

最佳血压是多少?医生建议:过60岁以后,血压最好保持这标准

健康科普365
2026-10-27 11:35:14
东方魔稻再次发力!竹子和水稻杂交出2米巨稻,稻米带有竹子清香

东方魔稻再次发力!竹子和水稻杂交出2米巨稻,稻米带有竹子清香

兴趣知识
2026-10-26 02:58:08
快评:姆巴佩栽了,栽得活该

快评:姆巴佩栽了,栽得活该

环球时报国际
2026-10-27 16:35:09
筱梅更新,汪宝坐镜子前自己刷牙,模样可爱又喜庆!太招人稀罕了

筱梅更新,汪宝坐镜子前自己刷牙,模样可爱又喜庆!太招人稀罕了

李橑在北漂
2026-10-27 11:43:41
输给勇士后,全网高喊丹佛要开球员超市,掘金真的要完了吗

输给勇士后,全网高喊丹佛要开球员超市,掘金真的要完了吗

禾三千体育
2026-10-27 17:42:26
妙可蓝多:终止与姆巴佩全部合作

妙可蓝多:终止与姆巴佩全部合作

界面新闻
2026-10-27 12:03:11
午后,无理由下探

午后,无理由下探

牛牛说金融
2026-10-27 14:23:57
就在今天,乔丹尘封24年的历史第一纪录,被杜兰特超越了

就在今天,乔丹尘封24年的历史第一纪录,被杜兰特超越了

大西体育
2026-10-27 13:02:36
央视全面封杀姆巴佩!一切都结束了

央视全面封杀姆巴佩!一切都结束了

品牌头版
2026-10-27 16:30:22
善意一旦明码标价,迟早有人嫌贵!女子带9岁儿子征婚不要彩礼只求善待,本以为是真诚,网友一句恶评直接撕开重组家庭遮羞布

善意一旦明码标价,迟早有人嫌贵!女子带9岁儿子征婚不要彩礼只求善待,本以为是真诚,网友一句恶评直接撕开重组家庭遮羞布

王老师你还好吗
2026-10-27 11:30:00
重庆挖出一具戴手铐女尸,鉴定后确认:她是中央苦寻26年的人

重庆挖出一具戴手铐女尸,鉴定后确认:她是中央苦寻26年的人

磊子讲史
2026-10-24 14:26:05
上海用户买冰柜后选择仅退款,自称冰柜"已销毁"无法退货,商家跨省索要后发现冰柜正插电使用,结局亮了

上海用户买冰柜后选择仅退款,自称冰柜"已销毁"无法退货,商家跨省索要后发现冰柜正插电使用,结局亮了

子非鱼人
2026-10-26 23:41:51
17岁深圳高中生,被曝获年薪约700万元邀约,此前刚发文宣布离开大厂

17岁深圳高中生,被曝获年薪约700万元邀约,此前刚发文宣布离开大厂

南方都市报
2026-10-27 13:57:30
1993年,杭州空姐周兵被赖昌星砸下1400万,送到厦门海关关长杨前线身边

1993年,杭州空姐周兵被赖昌星砸下1400万,送到厦门海关关长杨前线身边

宝哥精彩赛事
2026-10-25 11:36:21
差点当成电子垃圾!网友翻出1995年顶级扩展卡:当年是BBS站长标配

差点当成电子垃圾!网友翻出1995年顶级扩展卡:当年是BBS站长标配

快科技
2026-10-26 19:11:09
三名顶级外援!国内球员阵容厚,能挑战北京上海的球队出现了

三名顶级外援!国内球员阵容厚,能挑战北京上海的球队出现了

国篮会自强
2026-10-27 17:06:42
2026-10-27 18:07:00
热质纳能 incentive-icons
热质纳能
传热、传质、纳米、能源
3079文章数 78关注度
往期回顾 全部

科技要闻

Anthropic最硬气招股书,先把丑话说在前头

头条要闻

大搞利益交换 副部级"内鬼"王会民受贿4.36亿被判死缓

头条要闻

大搞利益交换 副部级"内鬼"王会民受贿4.36亿被判死缓

体育要闻

世界上最无趣的前锋,拿下了金球奖

娱乐要闻

芒果遇到厉娜和许飞笑发财了!

财经要闻

韩国芯片出口额可能下降高达1000亿美元

汽车要闻

油耗更低、尺寸更大 第三代秦PLUS DM-i上市7.69万起

态度原创

游戏
旅游
艺术
数码
公开课

《怪物猎人:荒野》突然更新!解决游戏奔溃问题等

旅游要闻

美丽北京|圆明园秋色正浓,湖光树影满目金黄

艺术要闻

16幅 美国当代画家Mark Boedges风景油画选

数码要闻

华硕推出TUF Gaming Radeon RX 9070 XT《鬼武者:剑之道》特别版显卡:蓝金外观,附赠游戏兑换码

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

无障碍浏览 进入关怀版