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东华大学俞建勇院士、丁彬教授团队《Nat. Commun.》:太阳能驱动的纳米纤维基连续除湿材料
2020-07-09  来源:高分子科技

  随着社会经济的发展和人民生活水平的提高,人们对于室内环境舒适度的要求越来越高。空气相对湿度作为衡量室内环境的一项重要参数,对人体健康、室内空气质量以及物品的存放都具有重要意义,因而湿度调节也成为室内环境调控的重要环节。此外,大气湿度被认为是一种过剩的水源,通过从潮湿空气中收集水分来生产淡水在可持续供水方面展现了巨大潜力。干燥剂材料在除湿和大气集水中起着至关重要的作用,而目前的干燥剂材料吸湿性和循环稳定性有限且水蒸气脱附能耗高。因此,亟需开发低能耗、高性能的除湿材料,以实现能耗和室内舒适度之间的理想平衡。太阳能作为一种可再生能源,太阳能驱动的除湿大发排列3极具节能潜力和生态经济效益,在除湿领域具有良好的应用前景。


  自然界中的木头具有水平方向上的胞腔网孔结构和垂直方向上的互联通道,该特殊结构有助于通过蒸腾作用将水分从地面往枝叶传输。受该独特结构和性能的启发,东华大学纺织科技创新中心俞建勇院士和丁彬教授带领的纳米纤维研究团队创新性提出了一种仿生木头胞腔网孔结构纤维基除湿材料的可控制备策略,利用静电纺丝大发排列3构筑仿生木头胞腔网孔结构干燥层,结构成型涉及荷电射流拉伸形变、聚集成束、纤维束分枝堆砌等动态过程,在表面张力和静电斥力的竞争作用下,荷电纤维束诱导胞腔网孔堆砌结构自组装成型。该除湿材料可提供水分在厚度方向传导/面内扩散的定向传输通道,使吸收的水分子在太阳光照射下自发地通过除湿材料传导到室外,实现太阳能驱动的室内连续除湿。



图1. 受木头启发的纳米纤维基除湿材料设计。(a–c)由树干获得的天然木头的特殊结构;(d)具有仿生木头胞腔网孔结构的干燥层纳米纤维膜的宏观形貌;(e)仿生双层纳米纤维膜的制备流程图;(f)在太阳光照射下双层纳米纤维透湿膜的水分传输路径。


  所制备的纤维基除湿材料中的干燥层具有优异的吸湿集水性能,在90%相对湿度下,吸湿量高达3.01g/g,具有快速的吸湿、传湿速率以及优异的循环稳定性,且能够实现高湿环境下的大气集水。纤维基除湿材料中光热层的太阳能吸收率高达93%,光热转换效率高、透湿性好,有效促进了水分蒸发。在一个太阳光照射下,该纤维基除湿材料能有效地将室内相对湿度降低到中等水平(40-60%RH),满足人体舒适需求。这项工作为开发新一代高性能纳米纤维基除湿材料用于节能型湿度控制和大气集水开辟了道路。这种超吸湿纳米纤维膜也将为开发建筑物透湿窗和精密电子设备内部的湿度控制器提供新机遇。



图2. 除湿性能与应用模型。(a)红外热成像揭示一个太阳光照射下的纳米纤维膜表面温度分布;(b)纳米纤维膜表面温度随太阳光照射时间的变化;(c)纳米纤维膜的质量变化与太阳光照射时间的关系;(d)纳米纤维膜的水分蒸发速率随时间的变化;(e)双层纳米纤维膜的放大样品;(f)用于连续除湿测试的缩小房子模型;(g)模拟太阳光照射下的除湿模型示意图;(h)水分在除湿模型中的运动最终实现室内除湿的原理图;(i)一个太阳光照射下室内相对湿度和温度随时间的变化曲线;(j)应用模型:新型悬挂式大气水收集器;(k)智能窗概念:双层膜作为室内除湿材料。


  相关工作近期以“Super hygroscopic nanofibrous membrane-based moisture pump for solar-driven indoor dehumidification”为题被Nature Communications(Nat. Commun. 2020, 11, 3302)在线发表。论文第一作者为东华大学纺织学院博士生张宇菲,共同通讯作者为丁彬教授王先锋研究员。该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金项目的大力资助。


  论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-17118-3

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(责任编辑:xu)
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