浙江理工大学刘爱萍教授团队 ACS Nano： 具有径向分级多孔结构的用作有效率的水传输和太阳能蒸发

近日，浙江理工大学许为中博士、邢赟硕士（共同一作）、刘爱萍教授（共同通讯作者）和浙江大学的柏浩教授（共同通讯作者）等在ACS Nano上发表了题为“Efficient water transport and solar steam generation via radially, hierarchically structured Aerogels”的研究论文。该团队在落羽杉以及针叶树管胞结构的启发下，提出了一种径向分级多孔结构的气凝胶用作高效的水传输和蒸发系统。采用径向冰模板法和低温原位自由基聚合技术，实现了具有毫米级别的径向发散通道、微米级别的褶皱和孔壁处形成的微孔以及纳米级别的分子网络的径向分级多孔结构的聚丙烯酰胺气凝胶（PAAm），然后在上表面负载一层碳纳米管（CNT）作为光吸收层。这种下层水传输层、上层光吸收层的仿生设计有利于毛细上升和太阳能水蒸发，实现了相对较快的（前一秒大于1cm，300s时大于9cm）、长距离的（190min内超过了28cm）自发、反重力传输水，除了纯水，还可传输海水、污水、地下水等；此外，在一个太阳光辐射下，实现了2.0 kg/m2/h的太阳能水蒸发速率，能量效率达到了85.7%。这种有效率的水传输和蒸发设计，为实现水的净化、再生和脱盐提供了一个潜在的解决策略。

图文速递

图1. 落羽杉和双层径向分级多孔结构的气凝胶。（a）落羽杉林；（b）落羽杉横截面SEM图；（c）落羽杉纵截面SEM图；（d-g）水在径向分级多孔结构的气凝胶中的流动，包括液态水和气态水；

图2. 双层气凝胶的制备和和形貌。（a）双层径向分级多孔结构的气凝胶的制备流程示意图，包括：径向冷冻-低温辐射交联-冷冻干燥-负载CNT；（b-d）不同放大倍数下的径向分级多孔结构SEM图，包括：毫米级别的径向发散通道、微米级别的褶皱和孔壁处形成的微孔以及纳米级别的分子网络；（e）负载CNT的微观结构SEM图；（f-k）其他形式气凝胶的实物图，包括：负载CNT的、树枝状的、不同方法得到超长的气凝胶。

图3.PAAm基气凝胶的水传输性能。（a-c）三种PAAm基气凝胶的示意图和在不同时间节点的水上升高度图，依次为：PAAm-radial，PAAm-random，PAAm-hydrogel气凝胶；（d）较长的PAAm-radial气凝胶在不同时间节点的水上升高度图，0-4h没有光照，4-7h有光照；（e）三种气凝胶水传输性能的距离-时间关系图；（f）三种气凝胶水传输性能的速率-时间关系图，插图为前一秒的传输速率；（g）长距离水传输的距离-速率-时间关系图。

图4.PAAm-radial气凝胶传输不同类型的水。（a-c）不同类型水的在不同的时间节点下的上升高度图，依次为海水、地下水和模拟树枝的传输水；（d-f）依次对应的距离-速率-时间的定量关系图。

图5. 太阳能蒸发器应用。（a）蒸发装置示意图；（b）温度随一个太阳光（1Kw/m2）照射时间增加的变化图，插图为对应的红外热成像照片；（c）一个太阳辐射下一小时的质量蒸发损失；（d）蒸发速率和能量效率；（e）对比文献。

该径向分级多孔结构气凝胶具有毫米级别的径向发散通道、微米级别的褶皱和孔壁处形成的微孔以及纳米级别的分子网络，这种异常丰富的毛细通道为水的传输提供了足够的毛细驱动力。此外，光热转换材料，碳纳米管的引入，为水的蒸发提供了足够的能量。这种有效率的水传输和蒸发系统有望为微流控、水的传输和收集、能源管理、水污染治理等领域提供了灵感。

该项研究受到国家自然科学基金（No.51572242和21674098）和浙江省杰出青年基金（No.LR19E020004）的资助。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b02331