图1. (a)基于3D打印的含金属纳米颗粒水凝胶NPH复合材料的 SVG 装置示意图。(b)在水凝胶PEGDA泡沫和互连的微通道网络内毛细力驱动的水输运。(c) 用Fe3O4纳米颗粒加强SVG蒸发表面的光吸收能力。
该研究中，含金属纳米颗粒的水凝胶(NPH)太阳能水蒸发器装置如图 1(a) 所示，它包含两个主要组件：(i)3D打印的NPH各向异性结构，蒸发表面具有 Fe3O4纳米颗粒，用以增强太阳能吸收，而底部层则嵌入了使用NPH打印的互连微通道; (ii)作为毛细材料的超亲水PEGDA泡沫和微通道网络(微通道宽为250μm)。团队成员使用面投影微立体光刻技术(nanoArch S130, 摩方精密)完成器件的制备。为了通过微型 3D 打印技术制造NPH太阳能水蒸发器，该团队制备了两种打印材料配方。基础配方是一种光固化/温度响应型NPH水凝胶。一旦固化后，单体会交联产生一个微型多孔表面(孔径为 5±0.8μm)，如图 2 中的扫描电子显微镜(SEM) 图像所示。为了将Fe3O4纳米颗粒混入水凝胶交联网络中，团队首先将金属盐Fe(NO3)3和FeCl2混入水凝胶打印材料的基础配方中，打印完成后，将器件置入碱性条件下，Fe3+ 和 Fe2+会共沉淀形成Fe3O4纳米颗粒。由此，最终制备的NPH器件表面呈漆黑色，反映了薄膜较强的光吸收能力。
在日常阳光照射下，该NPH器件的水蒸发速率约为5.12kgm-2h-1。这种超高的蒸汽生成率与Fe3O4纳米颗粒诱导的水凝胶网络内的润湿性转换和水活化能力有关。为了进一步研究该装置的整体稳定性，该团队还在不同强度的太阳辐射和盐水(3.5 wt% NaCl溶液)下进行了一系列实验。与最初的实验结果一致，3D打印的NPH水凝胶装置在500、1000和1500Wm-2的模拟太阳强度照射下表现出了显著的蒸发速率，分别为3.96、5.12和6.48kgm-2h-1，分别如图3所示。与先前报道的基于水凝胶的材料相比，该工作提出的NPH蒸发器表现出超高效的太阳能水蒸发能力，在太阳能污水处理和海水淡化方面具有巨大应用潜力。
图2 3D打印的NPH水凝胶的微观形貌表征。(a-b)NPH水凝胶和Fe3O4纳米颗粒的低倍和高倍SEM图像。 (c)纯NPH水凝胶和具有Fe3O4纳米颗粒的NPH水凝胶的FTIR光谱。(d)NPH水凝胶内Fe3O4纳米颗粒的XRD谱。
图3. (a)在120μm和1mm的薄膜厚度下，含Fe3O4颗粒的NPH水凝胶的UV-Vis-NIR吸收光谱。(b)当水凝胶周围的水被加热时，用光学显微镜捕获的3D打印的NPH水凝胶的温度响应。(c)纯NPH水凝胶和含Fe3O4颗粒的NPH水凝胶的接触角及其温度的影响。(d) 水在含Fe3O4颗粒的NPH水凝胶内的DSC热流信号
图4. 3D打印的NPH水凝胶器件的太阳能水蒸发性能。(a-b)在非聚光情况下，3D打印的NPH水凝胶装置的水蒸发速率。(c)3D打印的NPH水凝胶装置在不同太阳强度照射下的水蒸发速率。插图为相应的红外图像，显示了太阳能吸收表面的温度分布。(d)3D打印的NPH水凝胶器件的性能稳定性实验。(e)3D打印的NPH水凝胶器件用于太阳能海水(3.5wt%NaCl水溶液)蒸发时的蒸发速率。(f)NPH水凝胶器件的蒸发速率与已有文献报道的数值比较。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/eom2.12157 （采编：www.znzbw.cn）