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2019-07-03
??大自然經(jīng)歷了億萬(wàn)年的發(fā)展、進(jìn)化和演變，其豐富的結(jié)構(gòu)和功能為我們提供了源源不斷的靈感。例如樹(shù)木的水循環(huán)系統(tǒng)，為光合作用和蒸騰作用提供了有效的水供給和太陽(yáng)能熱管理，被認(rèn)為是解決全球水資源短缺問(wèn)題的一個(gè)有前景的策略。然而，仍存在一系列的挑戰(zhàn)，如相對(duì)低的傳輸速率、短的傳輸距離以及令人不滿(mǎn)意的蒸發(fā)速率等。
近日，浙江理工大學(xué)許為中博士、邢赟碩士（共同一作）、劉愛(ài)萍教授（共同通訊作者）和浙江大學(xué)的柏浩教授（共同通訊作者）等在ACS Nano上發(fā)表了題為“Efficient water transport and solar steam generation via radially, hierarchically structured Aerogels”的研究論文。該團(tuán)隊(duì)在落羽杉以及針葉樹(shù)管胞結(jié)構(gòu)的啟發(fā)下，提出了一種徑向分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的氣凝膠用作高效的水傳輸和蒸發(fā)系統(tǒng)。采用徑向冰模板法和低溫原位自由基聚合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了具有毫米級(jí)別的徑向發(fā)散通道、微米級(jí)別的褶皺和孔壁處形成的微孔以及納米級(jí)別的分子網(wǎng)絡(luò)的徑向分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的聚丙烯酰胺氣凝膠（PAAm），然后在上表面負(fù)載一層碳納米管（CNT）作為光吸收層。這種下層水傳輸層、上層光吸收層的仿生設(shè)計(jì)有利于毛細(xì)上升和太陽(yáng)能水蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)了相對(duì)較快的（前一秒大于1cm，300s時(shí)大于9cm）、長(zhǎng)距離的（190min內(nèi)超過(guò)了28cm）自發(fā)、反重力傳輸水，除了純水，還可傳輸海水、污水、地下水等；此外，在一個(gè)太陽(yáng)光輻射下，實(shí)現(xiàn)了2.0 kg/m2/h的太陽(yáng)能水蒸發(fā)速率，能量效率達(dá)到了85.7%。這種有效率的水傳輸和蒸發(fā)設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)水的凈化、再生和脫鹽提供了一個(gè)潛在的解決策略。
圖文速遞
圖1. 落羽杉和雙層徑向分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的氣凝膠。（a）落羽杉林；（b）落羽杉橫截面SEM圖；（c）落羽杉縱截面SEM圖；（d-g）水在徑向分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的氣凝膠中的流動(dòng)，包括液態(tài)水和氣態(tài)水；
圖2. 雙層氣凝膠的制備和和形貌。（a）雙層徑向分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的氣凝膠的制備流程示意圖，包括：徑向冷凍-低溫輻射交聯(lián)-冷凍干燥-負(fù)載CNT；（b-d）不同放大倍數(shù)下的徑向分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)SEM圖，包括：毫米級(jí)別的徑向發(fā)散通道、微米級(jí)別的褶皺和孔壁處形成的微孔以及納米級(jí)別的分子網(wǎng)絡(luò)；（e）負(fù)載CNT的微觀結(jié)構(gòu)SEM圖；（f-k）其他形式氣凝膠的實(shí)物圖，包括：負(fù)載CNT的、樹(shù)枝狀的、不同方法得到超長(zhǎng)的氣凝膠。
圖3.PAAm基氣凝膠的水傳輸性能。（a-c）三種PAAm基氣凝膠的示意圖和在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的水上升高度圖，依次為：PAAm-radial，PAAm-random，PAAm-hydrogel氣凝膠；（d）較長(zhǎng)的PAAm-radial氣凝膠在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的水上升高度圖，0-4h沒(méi)有光照，4-7h有光照；（e）三種氣凝膠水傳輸性能的距離-時(shí)間關(guān)系圖；（f）三種氣凝膠水傳輸性能的速率-時(shí)間關(guān)系圖，插圖為前一秒的傳輸速率；（g）長(zhǎng)距離水傳輸?shù)木嚯x-速率-時(shí)間關(guān)系圖。
圖4.PAAm-radial氣凝膠傳輸不同類(lèi)型的水。（a-c）不同類(lèi)型水的在不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的上升高度圖，依次為海水、地下水和模擬樹(shù)枝的傳輸水；（d-f）依次對(duì)應(yīng)的距離-速率-時(shí)間的定量關(guān)系圖。
圖5. 太陽(yáng)能蒸發(fā)器應(yīng)用。（a）蒸發(fā)裝置示意圖；（b）溫度隨一個(gè)太陽(yáng)光（1Kw/m2）照射時(shí)間增加的變化圖，插圖為對(duì)應(yīng)的紅外熱成像照片；（c）一個(gè)太陽(yáng)輻射下一小時(shí)的質(zhì)量蒸發(fā)損失；（d）蒸發(fā)速率和能量效率；（e）對(duì)比文獻(xiàn)。
該徑向分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)氣凝膠具有毫米級(jí)別的徑向發(fā)散通道、微米級(jí)別的褶皺和孔壁處形成的微孔以及納米級(jí)別的分子網(wǎng)絡(luò)，這種異常豐富的毛細(xì)通道為水的傳輸提供了足夠的毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力。此外，光熱轉(zhuǎn)換材料，碳納米管的引入，為水的蒸發(fā)提供了足夠的能量。這種有效率的水傳輸和蒸發(fā)系統(tǒng)有望為微流控、水的傳輸和收集、能源管理、水污染治理等領(lǐng)域提供了靈感。
該項(xiàng)研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金（No.51572242和21674098）和浙江省杰出青年基金（No.LR19E020004）的資助。
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