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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國(guó)建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國(guó)作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書(shū)記在致中國(guó)科學(xué)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(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國(guó)家創(chuàng)新人才高地，率先建成國(guó)家高水平科技智庫(kù)，率先建設(shè)國(guó)際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國(guó)科學(xué)院辦院方針

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非對(duì)稱(chēng)仿生界面高分子復(fù)合材料用于太陽(yáng)能海水淡化研究獲系列進(jìn)展

2019-08-19 寧波材料技術(shù)與工程研究所

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語(yǔ)音播報(bào)

　　基于前期發(fā)展的一種水-空界面毛細(xì)力誘導(dǎo)擠壓，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員陳濤團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)通過(guò)毛細(xì)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?jiān)粡?fù)合，構(gòu)建了一種柔性、可剪裁且可圖案化的非對(duì)稱(chēng)碳納米管復(fù)合紙。受到大自然中樹(shù)木的結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，樹(shù)木能夠在三維方向上生長(zhǎng)，并具有分層的葉子和根用來(lái)增強(qiáng)蒸騰作用，研究人員進(jìn)一步將這種圖案化的非對(duì)稱(chēng)碳紙經(jīng)過(guò)特定的剪裁、組合成3D樹(shù)形結(jié)構(gòu)，并將其運(yùn)用于光熱水純化（如圖1）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種3D樹(shù)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(gè)更強(qiáng)的光熱水蒸發(fā)能力，其海水純化能力最高能到達(dá)2.38kg/m²/h（Solar RRL 2019, DOI: 10.1002/solr.201900004）。

　　然而，當(dāng)處于一個(gè)不受限的系統(tǒng)中時(shí)，2D結(jié)構(gòu)有時(shí)比3D結(jié)構(gòu)具有更大的優(yōu)勢(shì)。因此，怎樣簡(jiǎn)單、快速地實(shí)現(xiàn)光熱蒸發(fā)器2D/3D結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換來(lái)適應(yīng)不同的環(huán)境仍然面臨挑戰(zhàn)。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(duì)PPyP微觀/宏觀層面的協(xié)同調(diào)控，實(shí)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P(yáng)PyP可實(shí)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(yīng)不同的應(yīng)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(guò)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(jià)、大面積且具有機(jī)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(guò)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(dāng)強(qiáng)的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。隨后，受到植物的吸水、蒸騰行為及其多級(jí)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(jí)結(jié)構(gòu)的3D“植物”，實(shí)現(xiàn)了高效的“out-of-plane”光熱蒸發(fā)。在一個(gè)太陽(yáng)的強(qiáng)度下，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，這種3D的PCM最高可實(shí)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(gè)很強(qiáng)的排鹽性能，能夠在夜間將白天積聚的鹽通過(guò)PCM中豐富的毛細(xì)通道擴(kuò)散到水相中，從而保證其長(zhǎng)期穩(wěn)定的使用。在戶(hù)外實(shí)驗(yàn)中，在多云的天氣下，7個(gè)小時(shí)內(nèi)，每平方米該3D PCM能夠純化約5.39kg海水，且可直接達(dá)到WHO飲用標(biāo)準(zhǔn)（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(yīng)用潛力。相關(guān)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(guó)家自然科學(xué)基金（51803226, 51573203）、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目（QYZDB-SSW-SLH036）、博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃（BX20180321）、中國(guó)博士后科學(xué)基金（2018M630695）及寧波市科技局（2018A610108）等的資助。

圖1 3D樹(shù)形結(jié)構(gòu)光熱蒸發(fā)器設(shè)計(jì)與光熱蒸發(fā)性能

圖2 2D/3D PPyP相互切換

圖3 低價(jià)、大面積、高機(jī)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(gè)全球性問(wèn)題，對(duì)地球上豐富的海水進(jìn)行淡化則是解決水資源短缺問(wèn)題的一個(gè)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(shí)現(xiàn)，因此，亟需一種綠色、高效、可持續(xù)的海水淡化方法來(lái)緩解上述危機(jī)。太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)的界面光熱水蒸發(fā)，由于其可以通過(guò)在遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水沸騰的溫度下產(chǎn)生蒸汽來(lái)進(jìn)行海水純化，在過(guò)去幾年中引起了越來(lái)越多的關(guān)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(tái)上，其存在立體空間利用效率低、熱損失高等問(wèn)題。因此，在一個(gè)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(rèn)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(xì)力誘導(dǎo)擠壓，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員陳濤團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)通過(guò)毛細(xì)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?jiān)粡?fù)合，構(gòu)建了一種柔性、可剪裁且可圖案化的非對(duì)稱(chēng)碳納米管復(fù)合紙。受到大自然中樹(shù)木的結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，樹(shù)木能夠在三維方向上生長(zhǎng)，并具有分層的葉子和根用來(lái)增強(qiáng)蒸騰作用，研究人員進(jìn)一步將這種圖案化的非對(duì)稱(chēng)碳紙經(jīng)過(guò)特定的剪裁、組合成3D樹(shù)形結(jié)構(gòu)，并將其運(yùn)用于光熱水純化（如圖1）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種3D樹(shù)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(gè)更強(qiáng)的光熱水蒸發(fā)能力，其海水純化能力最高能到達(dá)2.38kg/m2/h（Solar RRL 2019, DOI: 10.1002/solr.201900004）。
　　然而，當(dāng)處于一個(gè)不受限的系統(tǒng)中時(shí)，2D結(jié)構(gòu)有時(shí)比3D結(jié)構(gòu)具有更大的優(yōu)勢(shì)。因此，怎樣簡(jiǎn)單、快速地實(shí)現(xiàn)光熱蒸發(fā)器2D/3D結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換來(lái)適應(yīng)不同的環(huán)境仍然面臨挑戰(zhàn)。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(duì)PPyP微觀/宏觀層面的協(xié)同調(diào)控，實(shí)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P(yáng)PyP可實(shí)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(yīng)不同的應(yīng)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(guò)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(jià)、大面積且具有機(jī)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(guò)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(dāng)強(qiáng)的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。隨后，受到植物的吸水、蒸騰行為及其多級(jí)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(jí)結(jié)構(gòu)的3D“植物”，實(shí)現(xiàn)了高效的“out-of-plane”光熱蒸發(fā)。在一個(gè)太陽(yáng)的強(qiáng)度下，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，這種3D的PCM最高可實(shí)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(gè)很強(qiáng)的排鹽性能，能夠在夜間將白天積聚的鹽通過(guò)PCM中豐富的毛細(xì)通道擴(kuò)散到水相中，從而保證其長(zhǎng)期穩(wěn)定的使用。在戶(hù)外實(shí)驗(yàn)中，在多云的天氣下，7個(gè)小時(shí)內(nèi)，每平方米該3D PCM能夠純化約5.39kg海水，且可直接達(dá)到WHO飲用標(biāo)準(zhǔn)（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(yīng)用潛力。相關(guān)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(guó)家自然科學(xué)基金（51803226, 51573203）、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目（QYZDB-SSW-SLH036）、博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃（BX20180321）、中國(guó)博士后科學(xué)基金（2018M630695）及寧波市科技局（2018A610108）等的資助。
　　
　　圖1 3D樹(shù)形結(jié)構(gòu)光熱蒸發(fā)器設(shè)計(jì)與光熱蒸發(fā)性能
　　
　　圖2 2D/3D PPyP相互切換
　　
　　圖3 低價(jià)、大面積、高機(jī)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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