基于蝶翅液控功能的仿生材料设计制备及性能研究

发布时间：2021-09-24 03:21

　　随着全世界人口的持续增长、工业化水平的不断提高以及环境污染问题的逐渐加剧,水资源短缺问题日益凸显,如何高效地获取淡水资源成为当下热点议题。液体控制技术是缓解水资源短缺危机的重要手段之一,典型液体控制技术包括:海水淡化技术、雾汽收集技术、液体输运技术以及油水分离技术。一方面,借助海水淡化技术与雾汽收集技术,通过控制液体物相转化,可以从自然界现有含水体系中将水分提取出来,获取新的、可再生的淡水资源,做到开源;另一方面,利用液体定向输运技术及油水分离技术,可以改变液体空间位置及控制液体组成,实现水资源的统筹调配及含油废水的循环利用,避免水资源浪费及水体污染现象进一步恶化,做到节流。通过上述4种关键性液体控制技术,可以实现水资源的开源节流,形成水资源开发利用的良性循环局面。典型液体控制技术的推广应用依托于液控功能材料的研发制备,经过几个世纪的努力,科研工作者们开发出大量的液控功能材料。然而,传统液控功能材料存在以下技术难题:海水淡化材料光热转换效率低以及机械稳定性差（主要由光热转换纳米颗粒与基底材料结合力弱造成）;雾汽收集材料及液体定向输运材料低效的雾汽捕获能力及液体传输方式,造成雾汽收集及液... 

【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

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【学位级别】：博士

【部分图文】：

(a)Cu2-xSe纳米颗粒形貌表征；(b)光热效应治疗效果图[52]

南莨馓匦裕?蒲泄ぷ髡?们通过在碳材料表面加工不同的纳米尺度的几何结构，实现上述目标[58-60]。这种结构设计对性能提升的基本原理为：一方面，当入射光线的光波长大于或等于表面纳米结构的尺寸参数时，光和界面的作用方式会发生改变，整个材质得到了呈梯度性逐渐变化的折射率，增加了光的吸收；另一方面复杂的内部结构增加了光线在碳材料结构内部传播的路径长度，通过更多次的反射与折射，使得碳材料与光线作用的几率与次数大幅度提升，进而使得碳材料将更多的光能截留在碳材料内部，从而提升了碳材料的光能捕获能力。图1.2(a)CNTs液体光热驱动蒸汽产生示意图[61]；(b)Fe3O4@CNT液体光热驱动蒸汽产生示意图[62]自碳纳米管材料问世以来，由于其优异的性能，被普遍地应用于各行各业的新型功能材料的开发中。对于海水淡化功能材料领域，主要利用其比热容较低、热稳定性较强、机械稳定性良好等特点。碳纳米管的比热容为0.50-0.75g-1K-1，较低的比热容可以使碳纳米管材料更快的达到热饱和状态，将转化而来的热量直接用于海水的蒸发淡化，而不会将热能储存于碳纳米管材料中[63]。另外，碳纳米管适用于多种经济高效的加工工艺，例如过滤、喷涂以及旋涂等，可以制备出厚度、孔径可控制的多孔网状薄膜材料[64]。多孔碳纳米管材料在海水淡化领域应用的机理图如图1.2所示，当将多孔碳纳米管材料暴露于太阳光下时，上层的

吉林大学博士学位论文6碳纳米管原料会捕获光子，未被吸收掉的光子会被散射入下层碳纳米管原料，进行二次捕获，多孔确保碳纳米管原料的高效光捕获能力的实现[61]。为了实现碳纳米管原料的可循环利用，将磁性材料添加到碳纳米管原料中，一方面，通过磁性材料可以快速将碳纳米管材料吸附出来，减少材料的浪费；另一方面，铁基磁性纳米微粒材料也会增强光热转换效率[62,65,66]。除了碳纳米管材料，自然界中的树木因其多孔、轻质、隔热以及亲水特性，将其燃烧碳化后，也是一种优良的海水淡化材料设计方案[67]。此外，纳米纤维、氧化石墨烯及相关衍生产物等也因其极高的比表面积和良好的光吸收能力，被科研工作者广泛采用为海水淡化功能材料。尽管现有碳基海水淡化材料从材质和性能方面具有较大的优势，但从制备工艺以及使用寿命的角度考虑，仍然有较大的进步空间。1.2.2集雾功能材料1.2.2.1亲疏水性交替集雾功能材料图1.3疏水性基底材料表面具有的亲水性复杂图案[68,69]受生活在沙漠中的甲壳虫背板特征结构的启发，科学工作者们通过加工制造一系列具有亲疏水交替排布阵列的表面，实现了雾汽的高效收集。一种被广泛采用的加工工艺为喷墨打樱Zhang等人利用氯硅烷对二氧化硅纳米球粒进行化学修饰，并将修饰后的纳米球粒沉积于玻璃基底的上层，通过此方法得到疏水性表面，再将多巴胺以喷墨打印的形式喷涂于疏水性表面，通过定制化的图案设计，


本文编号：3406992