南京理工大学の陳蘇教授のチーム：太陽熱淡水化のための整列フォトニック結晶膜のマイクロ流体3Dプリント

出典: 国際バイオニック工学協会

淡水資源は人類社会の発展に重要な役割を果たしています。人口の増加、産業経済の成長、水質汚染の深刻化に伴い、淡水資源に対する世界的な需要も増加しています。しかし、ラップされた太陽熱蒸発器には入射光を吸収できないという欠点があり、その結果、太陽熱吸収器の効率が低くなります。そのため、界面太陽熱蒸発システムは、環境保護、高効率、省エネの観点から広く注目を集めています。しかし、無秩序な太陽熱蒸発材料には、光吸収率の低さ、光熱変換率の低さ、水輸送の限界などの問題があり、実際の応用においては避けられない障害となっています。したがって、高度な秩序化された微細構造材料を使用して蒸発装置の高性能を実現する方法は、エネルギーおよび化学工学の分野における最先端のトピックの 1 つです。

上記の科学的課題と重要な影響要因に対応するため、南京理工大学化学工学学院と材料化学工学国家重点実験室の陳蘇教授、朱良良教授らは最近、先進的な多次元秩序微細構造光熱蒸発器の構築に着手し、ラングミュア・ブロジェット（LB）法とマイクロ流体3D印刷技術の先進的なプロセスを通じて、明るい構造色とスペクトル、熱管理を備えた秩序光熱材料を設計しました。周期的配列構造に基づくフォトニック結晶 (PC) は、フォトニックバンドギャップ (PBG) を通じて光の伝播と光子の動きを効果的に操作します。これにより、光と媒体の相互作用を操作し、独自の構造色を生成することができます。これにより、太陽熱蒸発材料の構造と性能の関係を調査する新しい方法が提供され、将来的には太陽熱蒸発のセンシングと通信の開発が大きく促進されます。エマルジョン重合とin situ化学カップリング反応によるP(St-AA)/PPy NPの調製に基づいて、層状フォトニック結晶(PC)ナノフィルムとPCマイクロビーズが、ラングミュア・ブロジェット(LB)とマイクロ流体技術によって初めて調製されました。さらに重要なのは、マイクロ流体 3D 印刷技術の高度なプロセス (マイクロ流体静電 3D 印刷スピニングマシンは Nanjing Genesis New Materials Co., Ltd. が提供) を使用して、任意に調整可能で精密に設計されたアーキテクチャと理想的な光学的および機械的特性を備えた複雑な幾何学的形状 (3D PC ブラケット) を製造したことです。 P(St-AA)/PPy NP は優れた親水性を持ち、内部の光反射と急速な水輸送に役立ちます。整然とした閉じ込められた構造内での光の内部伝達の向上と蒸発エンタルピーの低減により、多次元 PC 蒸発器は、1 太陽下での太陽蒸発速度 2.23、2.14、2.0 kg m-2h−1、蒸発効率 92.9%、85.4%、92.3% を達成しました。これは、整然とした PC フィルムよりもはるかに優れています。この光熱フォトニック結晶構造と制御可能な組み立て戦略は、効率的な太陽蒸発のための新しいナノ構造と多機能光熱材料を構築する大きな可能性を提供します。

この研究成果は最近、重要な国際誌「Chemical Engineering Journal」（DOI: 10.1016/j.cej.2023.143389）に掲載されました。「高性能な界面太陽光淡水化のための、複数の構造色を持つ整然と組み立てられた光熱フォトニック結晶」。南京理工大学化学工学部および材料化学工学国家重点実験室のChen Su教授とZhu Liangliang教授が共同責任著者です。南京理工大学の大学院生であるLiu Yaru氏が第一著者である。

このプロジェクトは、中国国家自然科学基金 (21736006、21908104)、江蘇省著名教授プログラム、江蘇省高等教育機関の優先学術プログラム開発 (PAPD) によって資金提供および支援されました。
図1. マイクロ流体静電3Dプリント紡糸機（南京ジェネシスニューマテリアル株式会社と南京ベルタイムズテクノロジー株式会社）
図2. (a) P(St-AA)/PPy-PCの合成の模式図。 (b) P(St-AA)/PPyの構造の模式図。 (c) PCフィルム上へのP(St-AA)/PPyコロイド粒子の効率的な集合。 (d) LB、マイクロ流体工学、3D印刷技術による秩序だったPC構造のクロススケールアセンブリの概略図。
図3. (ab) P(St-AA)およびP(St-AA)/PPy NPのSEM画像。挿入図：P(St-AA) および P(St-AA)/PPy NP の直径分布。 (c) P(St-AA)/PPy NPのTEM像。 (d) P(St-AA)およびP(St-AA)/PPyフィルムの反射スペクトル。 (e) P(St-AA)、PPy、およびP(St-AA)/PPy NPのFT-IRスペクトル。 (f) P(St-AA)/PPy-NPのC1sとN1sの高解像度XPSスペクトル。
図4. (a) P(St-AA)およびP(St-AA)/PPy-PCフィルムの水接触角試験。 (b) P(St-AA)およびP(St-AA)/PPy-PCフィルムの反射および透過スペクトル。 (c) 乾燥したP(St-AA)およびP(St-AA)/PPy-PCフィルムの表面温度上昇図。 (df) 太陽蒸発図。1 太陽の下での異なる PPy 含有量のフィルムの蒸発速度と温度の時間変化の概略図。
図5. LB法と積層法による層制御PCフィルムの作製と、秩序化されたPCフィルムの蒸発促進メカニズムの概略図。
図6. マイクロ流体技術を使用したP(St-AA)/PPyマイクロビーズの調製とP(St-AA)/PPyマイクロビーズの太陽蒸発メカニズムの概略図。図 7. P (St-AA) および P (St-AA) /PPy 3D プリントの概略図と、クロススケールで組み立てられたフォトニック結晶ベースの蒸発器の海水蒸発性能の研究。

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