《EcoMat》：3D打印(yin)功(gong)能(neng)性水(shui)凝(ning)膠實(shi)現超高(gao)效(xiao)太陽能(neng)水(shui)蒸(zheng)發(fa)

水(shui)凝(ning)膠是(shi)壹類能保(bao)持大(da)量水(shui)分(fen)且(qie)具生(sheng)物相容性的(de)三維結(jie)構凝膠(jiao)，部分水(shui)凝(ning)膠還(hai)可對(dui)pH值、溫(wen)度(du)、電場(chang)和(he)光有獨。特響(xiang)應(ying)並(bing)產(chan)生(sheng)物理化學結(jie)構的(de)變(bian)化，從(cong)而在(zai)智(zhi)能(neng)傳(chuan)感器、生(sheng)物工(gong)程(cheng)和(he)軟(ruan)體機(ji)器人(ren)等領(ling)域廣泛(fan)應(ying)用(yong)。近(jin)年來，水(shui)凝(ning)膠也開(kai)始應(ying)用(yong)於太陽能(neng)驅(qu)動的(de)水(shui)蒸(zheng)發(fa)、脫(tuo)鹽(yan)、水(shui)凈(jing)化和(he)消(xiao)毒(du)以(yi)及(ji)太陽能(neng)驅(qu)動的(de)水(shui)-電(dian)-氫(qing)發電(dian)等領(ling)域。有報道(dao)指出(chu)，通(tong)過(guo)調(tiao)節聚合(he)物網(wang)絡(luo)與(yu)水(shui)分(fen)子之(zhi)間(jian)的(de)相互作用(yong)，水(shui)凝(ning)膠太陽能(neng)蒸(zheng)發(fa)器(SVG)可(ke)在(zai)壹個陽光下(光(guang)強度(du)約1000Wm^-2)達到(dao)相當(dang)高的(de)水(shui)蒸(zheng)發(fa)速率。由(you)於(yu)蒸(zheng)發(fa)發生在(zai)水(shui)凝(ning)膠界(jie)面，合(he)理設(she)計蒸(zheng)發(fa)材料表(biao)面(mian)微結(jie)構對(dui)於(yu)太陽能(neng)水(shui)蒸(zheng)發(fa)尤為重要。為了制造出(chu)復(fu)雜三維結(jie)構的(de)水(shui)凝(ning)膠功(gong)能器件(jian)，基(ji)於(yu)立體光(guang)刻(ke)的(de)微型 3D 打印(yin)方(fang)法越(yue)來越(yue)受歡迎。

近(jin)期，哈(ha)利法大(da)學(xue)的(de)張(zhang)鐵(tie)軍(jun)教(jiao)授團隊提(ti)出(chu)了壹(yi)種新(xin)型的(de)三維功能(neng)化水(shui)凝(ning)膠器件(jian)制備方(fang)法。該(gai)團隊利用(yong)新(xin)型微立體光(guang)刻(ke)技(ji)術(nanoArch S130，摩方精密)實(shi)現了水(shui)凝(ning)膠的(de)高(gao)精(jing)度(du)3D打印(yin)，並(bing)將(jiang)金屬(shu)鹽(yan)離子引入(ru)到(dao)水(shui)凝(ning)膠單(dan)體混(hun)合(he)物p(NIPAm-co-PEGDA)中，最(zui)終(zhong)獲(huo)得具有高吸光(guang)性能的(de)含氧化鐵納(na)米(mi)顆(ke)粒 (Fe₃O₄NPs)水(shui)凝(ning)膠太陽能(neng)蒸(zheng)發(fa)器。該(gai)制備方(fang)法成功(gong)解決(jue)了3D打印(yin)復(fu)合(he)材料中的(de)多重問(wen)題(ti)，例(li)如不(bu)均勻(yun)的(de)顆(ke)粒分布、團聚、固(gu)化光的(de)散(san)射(she)及(ji)其帶來的(de)打印(yin)質(zhi)量和(he)分辨率惡(e)化。利用(yong)該(gai)方法制成的(de)復(fu)合(he)水(shui)凝(ning)膠結(jie)構表(biao)現出(chu)了優(you)異(yi)的(de)光(guang)吸收性能和(he)快速毛細力水(shui)傳(chuan)輸性能，在非聚光情(qing)況下實(shi)現了5.12kgm^-2h^-1的(de)超高(gao)水(shui)蒸(zheng)發(fa)率。相關成果(guo)以“Direct solar vapor generation with micro-3D printed hydrogel device"為題(ti)發(fa)表(biao)在(zai)《EcoMat》期刊上。

圖1. (a)基(ji)於(yu)3D打印(yin)的(de)含金屬(shu)納(na)米(mi)顆(ke)粒水(shui)凝(ning)膠NPH復(fu)合(he)材料的(de) SVG 裝(zhuang)置示(shi)意圖。(b)在水(shui)凝(ning)膠PEGDA泡(pao)沫和(he)互連的(de)微通道(dao)網絡(luo)內毛細力驅(qu)動的(de)水(shui)輸(shu)運。(c) 用(yong)Fe₃O₄納(na)米(mi)顆(ke)粒加(jia)強SVG蒸(zheng)發(fa)表(biao)面(mian)的(de)光(guang)吸收能力(li)。

該(gai)研究(jiu)中，含金屬(shu)納(na)米(mi)顆(ke)粒的(de)水(shui)凝(ning)膠(NPH)太陽能(neng)水(shui)蒸(zheng)發(fa)器裝(zhuang)置如圖 1(a) 所示(shi)，它包(bao)含兩個主要組(zu)件(jian)：(i)3D打印(yin)的(de)NPH各向(xiang)異(yi)性結(jie)構，蒸(zheng)發(fa)表(biao)面(mian)具有 Fe₃O₄納(na)米(mi)顆(ke)粒，用(yong)以增強太陽能(neng)吸收，而底(di)部層則嵌(qian)入(ru)了使(shi)用(yong)NPH打印(yin)的(de)互連微通道(dao); (ii)作為毛細材料的(de)超親(qin)水(shui)PEGDA泡(pao)沫和(he)微通道(dao)網絡(luo)(微通道(dao)寬為250µm)。團隊成員(yuan)使用(yong)面投影(ying)微立體光(guang)刻(ke)技(ji)術(nanoArch S130, 摩方精密)完成器件(jian)的(de)制備。為了通(tong)過(guo)微型 3D 打印(yin)技(ji)術(shu)制造NPH太陽能(neng)水(shui)蒸(zheng)發(fa)器，該(gai)團隊制備了兩種打印(yin)材料配(pei)方。基(ji)礎(chu)配(pei)方是壹種光固(gu)化/溫(wen)度(du)響(xiang)應(ying)型NPH水(shui)凝(ning)膠。壹(yi)旦固(gu)化後，單體會(hui)交(jiao)聯產(chan)生(sheng)壹(yi)個微型多孔表(biao)面(mian)(孔徑為 5±0.8µm)，如圖 2 中的(de)掃(sao)描(miao)電子(zi)顯(xian)微鏡(jing)(SEM) 圖像(xiang)所(suo)示(shi)。為了將(jiang)Fe₃O₄納(na)米(mi)顆(ke)粒混入(ru)水(shui)凝(ning)膠交(jiao)聯網(wang)絡(luo)中，團隊首(shou)先將金屬(shu)鹽(yan)Fe(NO₃)₃和(he)FeCl₂混入(ru)水(shui)凝(ning)膠打印(yin)材料的(de)基(ji)礎(chu)配(pei)方中，打印(yin)完(wan)成後(hou)，將器件(jian)置入(ru)堿(jian)性條(tiao)件(jian)下，Fe³⁺ 和(he) Fe²⁺會(hui)共(gong)沈澱形(xing)成Fe₃O₄納(na)米(mi)顆(ke)粒。由(you)此(ci)，最(zui)終(zhong)制備的(de)NPH器件(jian)表(biao)面(mian)呈漆(qi)黑色，反映(ying)了薄膜較(jiao)強的(de)光(guang)吸收能力(li)。

在(zai)日(ri)常(chang)陽光(guang)照射(she)下，該(gai)NPH器件(jian)的(de)水(shui)蒸(zheng)發(fa)速率約為5.12kgm^-2h^-1。這(zhe)種超高(gao)的(de)蒸(zheng)汽(qi)生成率與(yu)Fe₃O₄納(na)米(mi)顆(ke)粒誘(you)導(dao)的(de)水(shui)凝(ning)膠網(wang)絡(luo)內的(de)潤濕性轉換和(he)水(shui)活化能力有關。為了進(jin)壹(yi)步(bu)研究(jiu)該(gai)裝置的(de)整體穩(wen)定(ding)性，該(gai)團隊還(hai)在不(bu)同(tong)強度(du)的(de)太陽輻(fu)射和(he)鹽(yan)水(shui)(3.5 wt% NaCl溶(rong)液)下進(jin)行了壹(yi)系(xi)列(lie)實(shi)驗(yan)。與最初(chu)的(de)實(shi)驗(yan)結(jie)果壹致，3D打印(yin)的(de)NPH水(shui)凝(ning)膠裝(zhuang)置在500、1000和(he)1500Wm^-2的(de)模擬太陽強度(du)照射(she)下表(biao)現出(chu)了顯(xian)著(zhu)的(de)蒸(zheng)發(fa)速率，分(fen)別(bie)為3.96、5.12和(he)6.48kgm^-2h^-1，分(fen)別(bie)如圖3所示(shi)。與先(xian)前報道(dao)的(de)基(ji)於(yu)水(shui)凝(ning)膠的(de)材料相比，該(gai)工作提(ti)出(chu)的(de)NPH蒸(zheng)發(fa)器表(biao)現出(chu)超高(gao)效(xiao)的(de)太陽能(neng)水(shui)蒸(zheng)發(fa)能力，在(zai)太陽能(neng)汙(wu)水(shui)處理和(he)海水(shui)淡化方面具有巨(ju)大(da)應(ying)用(yong)潛力。

圖2 3D打印(yin)的(de)NPH水(shui)凝(ning)膠的(de)微觀形(xing)貌(mao)表(biao)征(zheng)。(a-b)NPH水(shui)凝(ning)膠和(he)Fe₃O₄納(na)米(mi)顆(ke)粒的(de)低(di)倍(bei)和(he)高倍SEM圖像(xiang)。 (c)純(chun)NPH水(shui)凝(ning)膠和(he)具有Fe₃O₄納(na)米(mi)顆(ke)粒的(de)NPH水(shui)凝(ning)膠的(de)FTIR光(guang)譜(pu)。(d)NPH水(shui)凝(ning)膠內Fe₃O₄納(na)米(mi)顆(ke)粒的(de)XRD譜(pu)。

圖3. (a)在120µm和(he)1mm的(de)薄膜厚度(du)下，含Fe₃O₄顆粒的(de)NPH水(shui)凝(ning)膠的(de)UV-Vis-NIR吸收光譜(pu)。(b)當(dang)水(shui)凝(ning)膠周(zhou)圍的(de)水(shui)被(bei)加(jia)熱(re)時(shi)，用(yong)光學顯(xian)微鏡(jing)捕獲(huo)的(de)3D打印(yin)的(de)NPH水(shui)凝(ning)膠的(de)溫(wen)度(du)響(xiang)應(ying)。(c)純(chun)NPH水(shui)凝(ning)膠和(he)含Fe₃O₄顆粒的(de)NPH水(shui)凝(ning)膠的(de)接觸角及其溫(wen)度(du)的(de)影(ying)響(xiang)。(d) 水(shui)在(zai)含Fe₃O₄顆粒的(de)NPH水(shui)凝(ning)膠內的(de)DSC熱(re)流(liu)信號(hao)

圖4. 3D打印(yin)的(de)NPH水(shui)凝(ning)膠器件(jian)的(de)太陽能(neng)水(shui)蒸(zheng)發(fa)性能。(a-b)在非聚光情(qing)況下，3D打印(yin)的(de)NPH水(shui)凝(ning)膠裝(zhuang)置的(de)水(shui)蒸(zheng)發(fa)速率。(c)3D打印(yin)的(de)NPH水(shui)凝(ning)膠裝(zhuang)置在不(bu)同(tong)太陽強度(du)照射(she)下的(de)水(shui)蒸(zheng)發(fa)速率。插(cha)圖為相應(ying)的(de)紅外圖像(xiang)，顯(xian)示(shi)了太陽能(neng)吸收表(biao)面(mian)的(de)溫(wen)度(du)分布。(d)3D打印(yin)的(de)NPH水(shui)凝(ning)膠器件(jian)的(de)性能穩(wen)定(ding)性實(shi)驗(yan)。(e)3D打印(yin)的(de)NPH水(shui)凝(ning)膠器件(jian)用(yong)於太陽能(neng)海(hai)水(shui)(3.5wt%NaCl水(shui)溶(rong)液)蒸(zheng)發(fa)時(shi)的(de)蒸(zheng)發(fa)速率。(f)NPH水(shui)凝(ning)膠器件(jian)的(de)蒸(zheng)發(fa)速率與(yu)已(yi)有文(wen)獻報道(dao)的(de)數(shu)值比(bi)較(jiao)。