IF=19! 南京工业大学朱亮亮、陈苏AFM--具有高度可编程结构和功能的微流控定向光热凝胶颗粒集合

基于凝胶材料的太阳能驱动界面蒸发技术是缓解淡水短缺问题的一种有前景的策略。然而，由随机取向聚合物壁构成的传统整体式凝胶显著增加了水及所含物质的扩散/传输阻力。在此，我们展示了一种凝胶颗粒集合体蒸发器，其具有程序化组装的结构与功能，可增强太阳能蒸发并实现协同应用。与整体式凝胶固有的纳米-微米通道不同，通过自修复力组装的光热凝胶颗粒（经微流体导向）形成的独特互联间隙，能够促进高效的光吸收、热管理和物质传输，从而获得更高含量的中间水并降低蒸发焓。一种三维集合体蒸发器在1倍太阳光照下实现了3.2 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率，并凭借强大的毛细作用和由马兰戈尼效应驱动的补偿流展现出卓越的耐盐性。通过用功能材料替换光热组分，可以方便地定制光催化、荧光和结构色，从而拓展太阳能蒸发器的原位实际应用。这项工作不仅为高性能太阳能蒸发器的设计带来新的启发，也促进了微流控技术在高效构建多功能、可持续能量转换材料方面的进展。

图1 (a) 整体式凝胶和(b) 凝胶颗粒集合体蒸发过程的主要原理示意图。 (c) 通过微流控技术制备可编程凝胶颗粒集合体的流程示意图。

图2 (a) 通过紫外光固化合成 P(AA-co-MAH-β-CD) 凝胶-PPy 的示意图。 (b) 在微流控装置中，由自修复力驱动的、具有多种定向宏观结构的凝胶颗粒集合体组装示意图。 (c) 线性、(d) 平面和 (e) 三维凝胶颗粒集合体的示意图及照片。 (f) 凝胶、PPy 纳米颗粒和凝胶-PPy 的傅里叶变换红外光谱图。 (g) 自修复前后凝胶-PPy 颗粒之间边界的显微红外图像。 (h) 凝胶颗粒集合体力学性能的照片。 (i) 凝胶和凝胶-PPy 的扫描电镜图像。

图3 (a) 凝胶和 Gel-PPy₀.₈ 的水接触角。 (b) 凝胶和 Gel-PPy₀.₈ 的反射光谱和透射光谱。 (c) 干燥的凝胶和 Gel-PPy₀.₈ 在 1 倍太阳光照下的表面温度变化及相应的红外图像。 (d) 太阳能蒸发装置的示意图。 (e) 不同 PPy 纳米颗粒含量的 Gel-PPy 平面集合体在 1 倍太阳光照下的水蒸发速率。 (f) 高度为 4 mm 但具有不同凝胶颗粒尺寸的 Gel-PPy₀.₈ 长方体集合体蒸发器的蒸发速率。 (g) 高度为 4 mm 的 granule2000 和 granule 330 集合体的照片，以及不同尺寸凝胶颗粒集合体的大孔结构示意图。 (h) 锥形、长方体形和圆柱形集合体蒸发器以及不同层组装集合体蒸发器的蒸发性能。 (i) 三维长方体集合体在纯水中于 1 倍太阳光照下循环 5 次的蒸发稳定性。插图为 5 次循环后集合体的照片。 (j) Gel-PPy₀.₈ 的拉曼光谱。

图4 (a) 整体式凝胶与凝胶颗粒集合体蒸发器的示意图。 (b) Gel-PPy₀.₈ 整体式凝胶与集合体蒸发器的照片。 (c) Gel-PPy₀.₈ 整体式凝胶与集合体蒸发器的质量随蒸发时间的变化。 (d) 整体式凝胶和 (e) 集合体的水传输速度的 Comsol 模拟结果； (f) 整体式凝胶和集合体蒸发器从底部到顶部的毛细吸水时间。 (g) 整体式凝胶和 (h) 集合体的对流传热分布 Comsol 模拟结果； (i) 对流传导速度对整体式凝胶和集合体蒸发速率的影响，以及相应的顶部表面温度。 (j) 整体式凝胶和 (k) 集合体的热传递 Comsol 模拟结果； (l) 整体式凝胶和集合体在固定点处的侧面温度随蒸发时间的变化，以及相应的红外热像图

图5 (a) 在1倍太阳光照下，集合体在3.5 wt% NaCl溶液中的质量随时间变化。 在黑暗条件下，(b) 集合体和 (c) 整体式凝胶表面上的NaCl晶体（0.1 g）回渗到体相水中的照片。 (d) 基于对流传质与扩散的集合体增强排盐机理示意图。 (e) 基于集合体的户外模拟海水太阳能淡化装置照片。 (f) 户外实验中的太阳光照、空气温度以及水的质量变化。 (g) 模拟海水净化前后金属离子浓度的对比。 (h) 在1倍太阳光照下，集合体在pH=1、pH=13、酸性黄（AY）和罗丹明B（RhB）溶液中的蒸发速率。 (i) 酸性和碱性水经集合体处理前后pH试纸指示剂的照片。 (j) AY溶液和(k) RhB溶液净化前后的紫外-可见吸收光谱，插图为相应溶液的照片。

图6 (a) 多功能凝胶颗粒集合体制备流程示意图。 (b) 不同构型的光催化/光热凝胶颗粒集合体的照片。 (c) 含有BiOCl NFs和PPy NPs颗粒的光催化集合体的照片。 (d) 不同平面构型的光催化/光热凝胶颗粒集合体的蒸发速率。 (e) 不同尺寸的光催化/光热凝胶颗粒集合体的蒸发速率以及CO₂光催化还原的CO产率。 (f) 光致发光(PL)/光热凝胶颗粒集合体的照片。 (g) 在不同盐水中PL/光热集合体的蒸发速率和PL强度。 (h) 在3.5 wt% NaCl溶液中连续蒸发3小时期间，光致发光集合体的质量变化和PL强度。较深的条带和较浅的条带分别为95%置信带和预测带。 (i) 结构色/光热凝胶颗粒集合体的照片。 (j) 结构色/光热凝胶颗粒集合体在不同盐水中的蒸发速率。 (k) 反射波长的变化以及(l) 集合体颜色在不同盐度下的对应照片。比例尺：2 mm。

Pub Date : 2026-04-24, DOI: 10.1002/adfm.202600070