重庆大学周才龙/新加坡国立大学陈瑞深：全天候集水微针多孔膜

利用自然界的雾水和海水获得淡水资源是解决淡水匮乏的有效途径之一，但雾水的捕集和海水的淡化是两种不同淡水获取策略。雾水的形成一般发生在温差较大的夜间，此时的温度较低，相对湿度较高；而采用太阳能海水界面蒸发过程（SVG）这种高效、低成本的技术实现海水淡化，需要在日照充足的白天进行。近年来，研究人员设计了各式各样的雾水收集器和太阳能蒸汽发生器，但存在材料制备方法复杂、功能表现单一等问题。如何协同雾水收集和太阳能海水蒸发，以实现全天的淡水获取，最大限度地提高日产水量，具有重要的研究意义。近日， 重庆大学化学化工学院周才龙博士与新加坡国立大学陈瑞深（Tan Swee Ching）助理教授联合报道了一种利用模板法制备“微针多孔Janus膜”雾水收集器+“一体化微针膜”太阳能蒸汽发生器，从而实现了全天候连续产水和日产水量最大化（图1）。 该工作以“High-performance freshwater harvesting system bycoupling solar desalination and fog collection with hierarchical porousmicroneedle arrays”为题，发表在最新一期《Advanced Functional Materials》。该文的第一作者为重庆大学硕士研究生周威。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202113264

本文亮点

01

• 利用同一微针模具制备两种不同的微针复合多孔膜，并巧妙调控其参数；
• 将Janus膜与微针相结合制备出MN-Janus复合多孔膜有助于提升雾滴的捕集、转运和吸收速度；
• 通过将PEGDA/SA/CNT凝胶溶液浇铸在微针模板中，经冷冻干燥后制备出多孔的微针阵列MN-PSCs有助于提升光吸收，降低水分蒸发焓，提升蒸发速率。

图1 多孔微针膜用于雾水收集和太阳能界面海水淡化过程示意图。

图2 MN-Janus 的制备过程及其微观形貌 （a) 自上而下的光固化工艺制备MN-Janus多孔膜(b,c) 微针阴膜以及光掩模板的实物图（d-i) MN-HB/HL的光学图片以及SEM图。

图3 MN-Janus 膜的雾水收集过程。（a，d) 小液滴在MN-HB/HL和MN-HL/HB膜上的移动，浸润和吸收过程。（e-g）膜基底的润湿性、微针高度以及间距对雾水收集效率的影响。（h,i) 实验室模拟船帆上的微针捕集雾水过程。

图4 MN-PSCs膜的制备过程以及性能表征。（a，b) PEGDA/SA/CNT混合凝胶经过紫外光固化、脱膜、冷冻干燥后形成多孔的微针结构。(c1-c4) MN-PSC的多孔表面形貌分析。(d）MN-PSC 0-2% 的吸水速率对比。（e) PEGDA, SA, CNT等原材料和PEGDA/SA/CNT凝胶的红外光谱。（f) MN-PSCs的紫外-可见-近红外光谱吸收，蓝色阴影区域表示归一化太阳光谱。（g) MN-PSCs的表面温度随时间变化以及MN-PSCs样品在一个太阳照射下的红外热像图。(h, i) 纯水和MN-PSCs凝胶中水的DSC测试。

图 5 MN-PSCs膜的海水淡化过程。(a，b) MN-PSCs在室内的海水蒸发过程示意图，金字塔形的蒸发装置在一个太阳光的光照下，产生的蒸汽在蒸发器的内壁上冷凝，并在底部收集。（d,e）在一个太阳辐射下的封闭系统中，MN-PSCs在1小时内的蒸发速率，长期浸泡在盐水中的MN-PSC1%的水蒸发率，插图是第1天和12天的质量改变情况。（f) MN-PSC1%凝胶对结晶盐的自清洁特性。（g, h) MN-PSC1%进行海水淡化前后的三种海水的盐度变化, 海水蒸发前后四种主要离子的浓度变化情况。(i, j) 户外海水蒸发实验以及相关天气数据记录。（k) 种子发芽实验证明淡化后水的无毒性。

全文总结

02

本文利用聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）水凝胶作为微针模具中的填充物，通过自上而下的光固化微成型工艺制备出复合式微针多孔膜（MN-Janus）。进一步掺入碳纳米管（CNT）等光吸收材料后，冷冻干燥处理可以得到一体式微针多孔膜（MN-PSCs）。结果显示，MN-Janus微针阵列可用于高效的雾水捕集，显示出30.5 kg m-2-h-1的超高雾水收集效率, MN-PSCs可用于太阳能驱动的海水蒸发，其蒸发速率高达2.46 kg m-2-h-1。如果以6小时的太阳能海水淡化和6小时的夜间雾水收集作为一个有效的水收集周期，则两种结构每天可实现约 200 kg m-2的产水量。综上，这项工作显示出基于凝胶的微针阵列结构用于淡水收集的巨大潜力，为偏远干旱地区以及沿海地区的生活用水问题提供一个新见解。

通讯作者简介

03

周才龙，博士，重庆大学化学化工学院讲师。2009年本科毕业于大连理工大学，2018年在华南理工大学获化学工程博士学位，同年加入重庆大学化学化工学院。主持了国家自然科学青年基金、重庆市自然科学基金面上项目、四川省教育厅科技项目、教育部重点实验室开放基金等课题。主要研究方向为膜分离、基于仿生特殊润湿性及微-纳米结构界面的雾气捕集和海水淡化过程。近年来，以第一作者和通讯作者在Adv. Funct. Mater., Chem. Eng. J., ACS Appl. Mater. Interfaces, J. Hazard. Mater., Chem. Commun., 化工学报等学术期刊上发表论文50余篇，多篇入选ESI高被引论文和热点论文。

陈瑞深（Tan Swee Ching)，新加坡国立大学助理教授，本科毕业于新加坡国立大学物理学院，博士毕业于剑桥大学电子工程学院，之后前往美国麻省理工学院进行博士后研究，后任职于新加坡国立大学材料科学与工程学院。主要从事大气水收集、海水淡化以及基于蛋白质的太阳能电池等方面的研究。近年来，以第一作者和通讯作者在Joule, Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Sci. Adv., Nat. Commun., Chem, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Sci., ACS Nano, Nano Energy 等学术期刊上发表论文近50篇，并获得多项发明专利。其研究成果曾被 Forbes, Reuters, MIT Technology Review, BBC, Business Insider, Eco-Business, South China Morning Post, Daily Mail, Science Daily,Hong Kong TVB 等报道。2019年创办公司Ultra Dry Pte. Ltd.

课题组主页：

http://www.dmse.nus.edu.sg/SweeChingGroup/index.html

第一作者简介

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周威，重庆大学化学化工学院研究生，师从周才龙老师，合作导师 Tan Swee Ching 助理教授。目前主要从事仿生特殊润湿性材料的设计及其在雾水捕集和太阳能界面海水蒸发领域的应用研究。迄今以第一作者在 Adv.Funct. Mater.，J. Environ. Chem. Eng.，化工学报上发表SCI论文3篇，申请重庆市研究生科研训练项目1项，获国家级研究生奖学金1次，广州盛美企业奖学金1次，重庆大学A等奖学金2次。“科研之路好比马拉松赛道，遥远且曲折”。

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