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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點，為把我國建設成為世界科技強國作出新的更大的貢獻。

——習近平總書記在致中國科學院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實現(xiàn)科學技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設國際一流科研機構(gòu)。

——中國科學院辦院方針

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非對稱仿生界面高分子復合材料用于太陽能海水淡化研究獲系列進展

2019-08-19 寧波材料技術(shù)與工程研究所

【字體：大中小】

語音播報

　　基于前期發(fā)展的一種水-空界面毛細力誘導擠壓，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員陳濤團隊構(gòu)建了大面積、可任意轉(zhuǎn)移的碳納米管薄膜的方法（Chem. Mater. 2016, 28, 7125；ACS Nano 2019, 13, 4, 4368-4378），最近，該團隊通過毛細力轉(zhuǎn)移的方法，在水空界面上將碳納米管薄膜和商業(yè)用打印紙原位復合，構(gòu)建了一種柔性、可剪裁且可圖案化的非對稱碳納米管復合紙。受到大自然中樹木的結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，樹木能夠在三維方向上生長，并具有分層的葉子和根用來增強蒸騰作用，研究人員進一步將這種圖案化的非對稱碳紙經(jīng)過特定的剪裁、組合成3D樹形結(jié)構(gòu)，并將其運用于光熱水純化（如圖1）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種3D樹形結(jié)構(gòu)的光熱蒸發(fā)器相比較2D平面結(jié)構(gòu)具有一個更強的光熱水蒸發(fā)能力，其海水純化能力最高能到達2.38kg/m²/h（Solar RRL 2019, DOI: 10.1002/solr.201900004）。

　　然而，當處于一個不受限的系統(tǒng)中時，2D結(jié)構(gòu)有時比3D結(jié)構(gòu)具有更大的優(yōu)勢。因此，怎樣簡單、快速地實現(xiàn)光熱蒸發(fā)器2D/3D結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換來適應不同的環(huán)境仍然面臨挑戰(zhàn)。該團隊通過吡咯單體在纖維素紙表面原位氧化聚合得到聚吡咯雜化紙（PPyP），并利用對PPyP微觀/宏觀層面的協(xié)同調(diào)控，實現(xiàn)了最佳的光熱水純化速度。相比于傳統(tǒng)固定的3D結(jié)構(gòu)，該PPyP可實現(xiàn)2D/3D結(jié)構(gòu)的相互切換（如圖2），并具有很好的切換穩(wěn)定性，從而可以更好地適應不同的應用環(huán)境（ACS Appl. Mater. Inter. 2019，11，15498-15506）。

　　基于上述研究，最近，研究人員通過在棉織物表面可控的氧化聚合吡咯單體，制備得到了一種低價、大面積且具有機械穩(wěn)定性、可洗滌和可縫制的聚吡咯棉布（PCM，如圖3）。令人驚喜的是，此光熱織物是通過濕法制備，展示了其能夠大規(guī)模生產(chǎn)的潛力，且成本低至2美元/米²左右，具有相當強的商業(yè)競爭力。隨后，受到植物的吸水、蒸騰行為及其多級結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，并結(jié)合織物特有的可裁剪性及可縫制性，獲得了一種具有多級結(jié)構(gòu)的3D“植物”，實現(xiàn)了高效的“out-of-plane”光熱蒸發(fā)。在一個太陽的強度下，實驗室環(huán)境中，這種3D的PCM最高可實現(xiàn)3.37kg/m²/h的海水純化速度。此外，該光熱蒸發(fā)器具有一個很強的排鹽性能，能夠在夜間將白天積聚的鹽通過PCM中豐富的毛細通道擴散到水相中，從而保證其長期穩(wěn)定的使用。在戶外實驗中，在多云的天氣下，7個小時內(nèi)，每平方米該3D PCM能夠純化約5.39kg海水，且可直接達到WHO飲用標準（各種鹽離子去除率保持在99.9%以上）。更有趣的是，基于3D PCM的光熱蒸發(fā)器，甚至可以從固體基質(zhì)（沙子等）中提純海水或其他不可飲用的水，顯示出了其在某些極端條件下的巨大應用潛力。相關工作近期發(fā)表在Nano Energy 2019, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104002。

　　以上工作得到國家自然科學基金（51803226, 51573203）、中科院前沿科學重點研究項目（QYZDB-SSW-SLH036）、博士后創(chuàng)新人才支持計劃（BX20180321）、中國博士后科學基金（2018M630695）及寧波市科技局（2018A610108）等的資助。

圖1 3D樹形結(jié)構(gòu)光熱蒸發(fā)器設計與光熱蒸發(fā)性能

圖2 2D/3D PPyP相互切換

圖3 低價、大面積、高機械穩(wěn)定性、可洗滌和可縫制的聚吡咯棉布用于海水淡化

　　水資源短缺是目前面臨的一個全球性問題，對地球上豐富的海水進行淡化則是解決水資源短缺問題的一個重要途徑。但傳統(tǒng)的海水淡化往往需要高能量消耗，在一些能源短缺的地區(qū)難以實現(xiàn)，因此，亟需一種綠色、高效、可持續(xù)的海水淡化方法來緩解上述危機。太陽光驅(qū)動的界面光熱水蒸發(fā)，由于其可以通過在遠遠低于水沸騰的溫度下產(chǎn)生蒸汽來進行海水純化，在過去幾年中引起了越來越多的關注。但是目前大多數(shù)的光熱純化都集中在二維（2D）界面汽化平臺上，其存在立體空間利用效率低、熱損失高等問題。因此，在一個受限制的系統(tǒng)中，將2D光吸收器單元構(gòu)建成三維（3D）框架被認為是提高凈化水收集能力的最為直接有效的方法之一。
　　基于前期發(fā)展的一種水-空界面毛細力誘導擠壓，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員陳濤團隊構(gòu)建了大面積、可任意轉(zhuǎn)移的碳納米管薄膜的方法（Chem. Mater. 2016, 28, 7125；ACS Nano 2019, 13, 4, 4368-4378），最近，該團隊通過毛細力轉(zhuǎn)移的方法，在水空界面上將碳納米管薄膜和商業(yè)用打印紙原位復合，構(gòu)建了一種柔性、可剪裁且可圖案化的非對稱碳納米管復合紙。受到大自然中樹木的結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，樹木能夠在三維方向上生長，并具有分層的葉子和根用來增強蒸騰作用，研究人員進一步將這種圖案化的非對稱碳紙經(jīng)過特定的剪裁、組合成3D樹形結(jié)構(gòu)，并將其運用于光熱水純化（如圖1）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種3D樹形結(jié)構(gòu)的光熱蒸發(fā)器相比較2D平面結(jié)構(gòu)具有一個更強的光熱水蒸發(fā)能力，其海水純化能力最高能到達2.38kg/m2/h（Solar RRL 2019, DOI: 10.1002/solr.201900004）。
　　然而，當處于一個不受限的系統(tǒng)中時，2D結(jié)構(gòu)有時比3D結(jié)構(gòu)具有更大的優(yōu)勢。因此，怎樣簡單、快速地實現(xiàn)光熱蒸發(fā)器2D/3D結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換來適應不同的環(huán)境仍然面臨挑戰(zhàn)。該團隊通過吡咯單體在纖維素紙表面原位氧化聚合得到聚吡咯雜化紙（PPyP），并利用對PPyP微觀/宏觀層面的協(xié)同調(diào)控，實現(xiàn)了最佳的光熱水純化速度。相比于傳統(tǒng)固定的3D結(jié)構(gòu)，該PPyP可實現(xiàn)2D/3D結(jié)構(gòu)的相互切換（如圖2），并具有很好的切換穩(wěn)定性，從而可以更好地適應不同的應用環(huán)境（ACS Appl. Mater. Inter. 2019，11，15498-15506）。
　　基于上述研究，最近，研究人員通過在棉織物表面可控的氧化聚合吡咯單體，制備得到了一種低價、大面積且具有機械穩(wěn)定性、可洗滌和可縫制的聚吡咯棉布（PCM，如圖3）。令人驚喜的是，此光熱織物是通過濕法制備，展示了其能夠大規(guī)模生產(chǎn)的潛力，且成本低至2美元/米2左右，具有相當強的商業(yè)競爭力。隨后，受到植物的吸水、蒸騰行為及其多級結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，并結(jié)合織物特有的可裁剪性及可縫制性，獲得了一種具有多級結(jié)構(gòu)的3D“植物”，實現(xiàn)了高效的“out-of-plane”光熱蒸發(fā)。在一個太陽的強度下，實驗室環(huán)境中，這種3D的PCM最高可實現(xiàn)3.37kg/m2/h的海水純化速度。此外，該光熱蒸發(fā)器具有一個很強的排鹽性能，能夠在夜間將白天積聚的鹽通過PCM中豐富的毛細通道擴散到水相中，從而保證其長期穩(wěn)定的使用。在戶外實驗中，在多云的天氣下，7個小時內(nèi)，每平方米該3D PCM能夠純化約5.39kg海水，且可直接達到WHO飲用標準（各種鹽離子去除率保持在99.9%以上）。更有趣的是，基于3D PCM的光熱蒸發(fā)器，甚至可以從固體基質(zhì)（沙子等）中提純海水或其他不可飲用的水，顯示出了其在某些極端條件下的巨大應用潛力。相關工作近期發(fā)表在Nano Energy 2019, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104002。
　　以上工作得到國家自然科學基金（51803226, 51573203）、中科院前沿科學重點研究項目（QYZDB-SSW-SLH036）、博士后創(chuàng)新人才支持計劃（BX20180321）、中國博士后科學基金（2018M630695）及寧波市科技局（2018A610108）等的資助。
　　
　　圖1 3D樹形結(jié)構(gòu)光熱蒸發(fā)器設計與光熱蒸發(fā)性能
　　
　　圖2 2D/3D PPyP相互切換
　　
　　圖3 低價、大面積、高機械穩(wěn)定性、可洗滌和可縫制的聚吡咯棉布用于海水淡化
　　

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