微流控导向碳基-微球复合光热材料有序微结构的调控及其光-蒸汽高效转化的基础研究

Solar-driven interfacial vaporization by localizing solar-thermal energy conversion to the air-water interface has attracted tremendous attention due to its high conversion efficiency for water purification, desalination, and energy generation etc. In this project, we explore the multidimensional photothermal materials with controllable ordered microstructures and high photothermal conversion performance towards solar evaporation. By means of the controllable microfluidic process, the “accurate assembly” of the carbon-based photothermal materials and polymer networks is demonstrated to realize the nano-micro-macro-scale structural construction of photothermal materials. The behavior of microfluidic confinement effect on energy, momentum and mass transfer, and intrinsic formation principles of ordered microstructures within the confined environment are explored, establishing the microfluidic dynamics model of ordered assembly and improving assembly efficiency. Moreover, we investigate the effects of the microfluidic chip and microchannel design, fluid flow rate and flow pattern on the microstructure and composition of materials. The new efficient photothermal evaporation mode and devices are further employed to evaluate solar evaporation efficiency, revealing the relation between microstructure and photothermal conversion efficiency.

光热材料作为一种新型绿色能源转化材料成为新能源领域的研究前沿之一。 本项目以创制新型高效光热材料为目标，从设计纳米碳材料与胶体光子晶体互联组装入手，实现纳-微-宏结构跨尺度集成制备，研究光热材料构筑单元在在微通道受限下的传递行为和组装规律，考察微流体芯片和微通道的设计、流体流速和流型对最终材料纳-微结构和性质的影响，建立有序光热转化材料组装的微流体动力学模型。通过微流控手段构筑碳基-微球微珠及纳微纤维复合光热材料，分别探讨两种材料的光热转化效率与微结构的对应关系，形成在微尺度下连续化宏量制备光热材料的新方法。针对光热蒸发应用，着重揭示光热材料微观结构与光热性质的演变规律，探索出高效光吸收、光热转化和太阳能驱动水蒸发的机理，开拓此材料在海水淡化、污水净化等领域的应用，形成从基本构筑单元、有序组装体以及宏观器件集成优化的新方法，为我国绿色光热转化材料的发展提供理论依据及实用化途径。

“碳中和”是我国长期发展的重大战略，要实现目标，需大力发展可再生能源，降低化石能源的比重。太阳能具有普遍、无害和储量丰富的优点，每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨标煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。其中，光热转化因其转化速度快、效率高、成本低等特点已成为太阳能利用领域的研究热点之一。碳基光热材料是通过材料吸收光能后发生晶格振动而产生光热效应，是目前界面太阳能光热蒸发首选材料。碳基光热材料的纳、微结构与光的反射、折射性能、吸光强度以及热传递息息相关，合理的纳微结构设计可有效促进光学吸收、光热转化和热学管理，增强光热转化效率。本项目以创制新型有序结构光热材料为目标，设计纳米碳材料与胶体光子晶体互联组装，实现纳-微-宏结构跨尺度集成制备，研究了光热材料构筑单元在在微通道受限下的传递行为和组装规律。在此基础上，通过微流控手段构筑碳基-微球微珠及纳微纤维复合光热材料，分别探讨两种材料的光热转化效率与微结构的对应关系。以光热蒸发、光热催化、被动辐射降温为主要应用，着重揭示了光热材料微观结构与光热性质的演变规律，探索出高效光吸收、光热转化和太阳能光热调控机理，发展了有序结构材料在海水淡化、污水净化、“空调织物”等领域的潜在应用，形成从基本构筑单元、有序组装体以及宏观器件集成优化的新方法，为我国绿色太阳能转化材料的制备和高效利用提供理论依据及实用化途径。