浙理工劉愛萍教授團隊《ACS Nano》： 具有徑向分級多孔結構的氣凝膠用作水的高效傳輸和蒸發

【成果簡介】

自然界中的動植物經過億萬年優勝劣汰、適者生存的發展、演變和進化，形成了獨特的結構和功能，不僅適應了自然，而且實現了結構和功能的統一，這為我們解決所面臨的科學、技術問題提供了源源不斷的靈感。例如，樹木的水循環系統為光合作用和蒸騰作用提供了有效的水供給和太陽能熱管理，被認為是一種解決全球水資源短缺問題的有效策略。

近日，浙江理工大學許為中博士研究生、邢赟碩士研究生（共同一作）、劉愛萍教授（共同通訊作者）和浙江大學的柏浩教授（共同通訊作者）等在《ACS Nano》上發表了題為“Efficient water transport and solar steam generation?via?radially, hierarchically structured Aerogels”的研究論文。該團隊在落羽杉以及針葉樹管胞結構的啟發下，采用徑向冰模板法和低溫原位自由基聚合技術，構造了一種徑向分級多孔結構的氣凝膠，實現了具有毫米級別的徑向發散通道、微米級別的褶皺、多孔分子網絡，并利用碳納米管（CNT）作為太陽光吸收層，實現了純水、海水、污水、地下水等多種水的長距離傳輸（190min內超過28cm）和高效蒸發收集（水蒸發速率約2.0 kg/m²/h，能量效率達到85.7%）。這種有效的水傳輸和蒸發設計，為實現水的凈化、再生和脫鹽提供了潛在的解決策略。

【圖文導讀】

圖1. 落羽杉和雙層徑向分級多孔結構的氣凝膠。

（a）落羽杉照片；（b）落羽杉橫截面SEM圖；（c）落羽杉縱截面SEM圖；（d-g）水在徑向分級多孔結構的氣凝膠中的運動，包括液態水和氣態水。

圖2.?雙層氣凝膠的制備過程和形貌。

（a）雙層徑向分級多孔結構的氣凝膠的制備流程，包括：徑向冷凍-低溫輻射交聯-冷凍干燥-上表面負載CNT；（b-d）不同放大倍數下的徑向分級多孔結構氣凝膠的SEM圖，包括：毫米級別的徑向發散通道、微米級別的褶皺和孔壁，納米級別的分子網絡；（e）CNT的微觀結構SEM圖；（f-k）不同形式的氣凝膠實物圖，包括：樹枝狀和超長氣凝膠。

圖3.?氣凝膠的水傳輸性能。

（a-c）三種氣凝膠不同時間節點的輸水行為；（d）單根長氣凝膠在不同時間節點的輸水行為；（e）三種氣凝膠輸水距離-時間關系；（f）三種氣凝膠輸水速率-時間關系圖；（g）長距離輸水距離-速率-時間關系圖。

圖4.?氣凝膠對不同類型水的傳輸。

（a-c）不同類型水在不同時間節點下的傳輸行為，包括海水、地下水和模擬樹枝的水傳輸；（d-f）不同類型水的傳輸距離-速率-時間的定量關系圖。

圖5. 太陽能蒸發器應用。

（a）太陽能蒸發收集器的示意圖；（b）一個太陽光（1Kw/m²）照射下溫度隨時間的變化，插圖為紅外熱成像照片；（c）一個太陽輻射下質量蒸發損失；（d）蒸發速率和能量效率關系；（e）本文數據與文獻對比。

【小結】

該徑向分級多孔結構氣凝膠利用豐富的毛細通道為水的傳輸提供了足夠的毛細驅動力。此外，光熱轉換材料碳納米管的引入，為水的蒸發提供了足夠的能量。這種有效的水傳輸和蒸發系統有望為微流控、水的傳輸和收集、能源管理、水污染治理等領域提供靈感。

該項研究受到國家自然科學基金（Nos.51572242和21674098）和浙江省杰出青年基金（No.LR19E020004）的資助。

文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b02331

本文由浙江理工大學劉愛萍教授團隊供稿。

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