南開曹墨源/北航劉克松《Adv. Sci.》：兼具Janus結構和光熱性能的智能除濕屋頂
智能材料和綠色建筑的發(fā)展需要更有效、低耗的控制環(huán)境參數(shù)的方法，比如溫度、濕度、化學品濃度等。流體操控界面可以在低耗或零能耗的條件下，控制液體和氣體的分布、注入和分離，提高已有系統(tǒng)的效率和功能。在過去十年，界面日光增強蒸發(fā)在海水淡化、大氣采水等領域得到了廣泛研究并顯示出廣闊前景。將流體操控界面合理引入，可以為新型日光蒸發(fā)界面增添更多的功能和可能性。
通過整合Janus界面的單向液體操縱和太陽能界面蒸發(fā)層，南開大學材料科學與工程學院曹墨源團隊聯(lián)合北京航空航天大學化學學院劉克松團隊，報道了一種Janus疊層太陽能除濕界面。該界面可用于室內(nèi)環(huán)境的可轉(zhuǎn)換濕度管理，能夠?qū)崿F(xiàn)自發(fā)且連續(xù)驅(qū)動的冷凝液滴反重力輸運和液體/蒸汽單向向外輸送。該研究構建了一種可除濕/擋雨的智能屋頂。相關成果Unidirectional Moisture Delivery via a Janus Photothermal Interface for Indoor Dehumidification: A Smart Roof發(fā)表于Advanced Science, 2023, 10, 2301421，論文第一作者為碩士研究生施文博和博士研究生白浩宇，曹墨源研究員與劉克松教授為論文共同通訊作者。
圖1：（a）JSDI的獨特室內(nèi)除濕功能說明。（b）典型的JSDI的設計和制造由三層組成。
Janus太陽能除濕界面（Janus Solar Dehumidifying Interface，簡稱為JSDI）的特點在于，它將超親水和超疏水性質(zhì)相結合，實現(xiàn)了室內(nèi)水汽的自由通過和外部液體的阻擋。其中的吸光層使液體能夠在晴天迅速汽化，形成了一個連續(xù)的除濕過程。即使液體滴落或噴射，也能有效防止液體向內(nèi)滲透，并引導水流，在雨天起到除水作用。此外，該界面還可以驅(qū)動冷凝液滴反重力輸送，實現(xiàn)液體單向向外輸送的功能。
圖2：JSDI的單向液體操縱。（a）液滴從JSDI下方注射。（b）液滴從JSDI上方注射。（c）動態(tài)水流下，向下的液體滲透仍然被JSDI所阻擋。積水通過親水的虹吸結構被排出和收集。（d）沒有超親水層的緩沖作用，液滴在撞擊時將部分穿過疏水網(wǎng)，導致液體屏蔽失敗。
具有Janus潤濕性的不對稱界面為實現(xiàn)液體的單向滲透提供了一種有用的方法。對于JSDI，疏水銅網(wǎng)和親水吸水層的復雜結構是一個典型的具有大孔隙的Janus界面。液體能輕易地從疏水銅網(wǎng)滲透至親水層（即滲透方向），而在相反的方向（阻擋方向）卻失敗了。這種單向液體滲透取決于表面能梯度。
圖3：霧氣/蒸汽收集下的JSDI的單向液體操縱。（a）霧氣收集實驗被用來說明連續(xù)過程的可用性。（b）對于單層疏水網(wǎng)來說，生長的液滴不能上浮，而是變大，最終向下滴落。（c）霧氣收集過程中Janus結構和疏水網(wǎng)的直接比較。（d）集成式集霧器由Janus結構和虹吸結構組成，可以實現(xiàn)霧氣捕捉、液體輸送和水排放的連續(xù)過程。（e）單向霧氣收集機制的示意圖。
在對JSDI的單向液體操縱進行研究后，需要考慮復雜的外向水分輸送過程，包括微滴捕獲、微滴生長和反重力輸送等。為了測試JSDI的適應性，作者進行了集霧實驗來顯示其連續(xù)過程的可用性。在向上的霧流下，微小的液滴首先被疏水網(wǎng)的下表面捕獲。這些液滴通過與其他液滴凝聚而繼續(xù)增長，最終掛在銅網(wǎng)上。一旦液滴接觸到上面的親水層，它會迅速上浮并被吸收。
圖4：JSDI的實驗室內(nèi)除濕性能。（a）帶有溫度和濕度傳感器的除濕實驗裝置。（b）內(nèi)部空氣溫度，（c）相對濕度，（d）水溫，以及（e）表面溫度在除濕過程中被連續(xù)記錄。（f）不同類型的界面在不同的內(nèi)水溫度下的水分蒸發(fā)率。（g）JSDI在200-2500nm之間的紫外—可見—近紅外（UV-VIS-NIR）光譜。（h）COMSOL模擬了封閉式、半封閉式和開放式系統(tǒng)的蒸汽排放行為。
反重力液體輸送非常適用于輸送冷凝水，因為水汽和JSDI的放置方向一致。為了測試JSDI的除濕能力，作者在實驗室中對黑色JSDI、白色JSDI、封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)的除濕性能進行了測試，并記錄了內(nèi)部空氣溫度和相對濕度、水溫和上表面溫度。實驗中發(fā)現(xiàn)，高溫有助于提高界面除濕效率。黑色和白色JSDI的效率差異達到1.46倍。此外，作者還進行了日光蒸發(fā)光熱轉(zhuǎn)換效率實驗，結果顯示黑色JSDI的轉(zhuǎn)換效率約為90.8%，表現(xiàn)出良好的光熱性能。
圖5：JSDI在晴天的實際除濕性能。（a）基于JSDI的智能屋頂的示意圖。（b） 不同天氣條件下智能屋頂?shù)某凉窈头浪壿嫛＃?/span>c）JSDI智能屋頂?shù)膽敉鈱嶒炑b置。JSDI屋頂?shù)闹谱骺梢园幢壤糯蟆Ｋ姆N測試界面對應的系統(tǒng)除濕性能比較。（d）除濕過程中連續(xù)記錄相對濕度、（e）內(nèi)部空氣溫度和（f）表面溫度。（g）不同容器在實際太陽照射下3小時的水分蒸發(fā)率。
JSDI智能屋頂?shù)某凉裥阅茉谇缣斓恼鎸嵀h(huán)境中進行了測試。借助獨特的液體操縱和太陽能蒸發(fā)技術，JSDI已經(jīng)被成功地設計成一個可切換和節(jié)能的智能屋頂，其除濕性能已經(jīng)得到了驗證。當前的JSDI智能屋頂更像是一個排出水汽的窗口，用于控制和降低室內(nèi)的濕度。該工作的目標是擴展Janus界面和太陽蒸發(fā)的研究范圍，以滿足綠色建筑、智能工廠和設備保護等領域的需求。
本工作受到國家自然科學基金項目、國家重點研發(fā)計劃、物質(zhì)綠色創(chuàng)造與制造海河實驗室、以及北京市科技新星計劃的資助。南開大學仿生功能界面課題組（Bioinspired Functional Interface, BiFi），誠邀本科生、研究生及科研人員合作或加入，主頁：https://mse.nankai.edu.cn/cmy/list.htm，聯(lián)系方式：mycao@nankai.edu.cn。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202301421
