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展需要更有效、低耗的控制環境參數的方法，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，提高已有系統的效率和功能。在過去十年，界面日光增強蒸發在海水淡化、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層，南開大學材料科學與工程學院曹墨源團隊聯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。該界面可用于室內環境的可轉換濕度管理，能夠實現自發且連續驅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相結合，實現了室內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，形成了一個連續的除濕過程。即使液體滴落或噴射，也能有效防止液體向內滲透，并引導水流，在雨天起到除水作用。此外，該界面還可以驅動冷凝液滴反重力輸送，實現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，導致液體屏蔽失敗。
具有Janus潤濕性的不對稱界面為實現液體的單向滲透提供了一種有用的方法。對于JSDI，疏水銅網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過程的可用性。（b）對于單層疏水網來說，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，可以實現霧氣捕捉、液體輸送和水排放的連續過程。（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過程的可用性。在向上的霧流下，微小的液滴首先被疏水網的下表面捕獲。這些液滴通過與其他液滴凝聚而繼續增長，最終掛在銅網上。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的實驗室內除濕性能。（a）帶有溫度和濕度傳感器的除濕實驗裝置。（b）內部空氣溫度，（c）相對濕度，（d）水溫，以及（e）表面溫度在除濕過程中被連續記錄。（f）不同類型的界面在不同的內水溫度下的水分蒸發率。（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、封閉系統和開放系統的除濕性能進行了測試，并記錄了內部空氣溫度和相對濕度、水溫和上表面溫度。實驗中發現，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光熱轉換效率實驗，結果顯示黑色JSDI的轉換效率約為90.8%，表現出良好的光熱性能。
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的除濕和防水邏輯。（c）JSDI智能屋頂的戶外實驗裝置。JSDI屋頂的制作可以按比例放大。四種測試界面對應的系統除濕性能比較。（d）除濕過程中連續記錄相對濕度、（e）內部空氣溫度和（f）表面溫度。（g）不同容器在實際太陽照射下3小時的水分蒸發率。
JSDI智能屋頂的除濕性能在晴天的真實環境中進行了測試。借助獨特的液體操縱和太陽能蒸發技術，JSDI已經被成功地設計成一個可切換和節能的智能屋頂，其除濕性能已經得到了驗證。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的濕度。該工作的目標是擴展Janus界面和太陽蒸發的研究范圍，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、國家重點研發計劃、物質綠色創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，聯系方式：mycao@nankai.edu.cn。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202301421
