基于微流控紡絲誘導(dǎo)組裝法構(gòu)筑高強(qiáng)度纖維膜，實(shí)現(xiàn)高效太陽能水蒸發(fā)

自組裝，是指單個(gè)構(gòu)筑基元通過非共價(jià)相互作用形成有序結(jié)構(gòu)材料的過程。自組裝廣泛存在于自然界中，對(duì)理解生命活動(dòng)、指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)及推動(dòng)新材料衍生具有重要作用。另外自組裝在高強(qiáng)度材料領(lǐng)域已經(jīng)取得了進(jìn)展，但在納米尺度上對(duì)纖維成分和微觀結(jié)構(gòu)的精確組裝與控制仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述問題，南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳蘇教授團(tuán)隊(duì)與南京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院肖繼軍教授合作，采用微流控紡絲誘導(dǎo)組裝的方法，通過氧化石墨烯（GO）、羥基功能化的氮化硼納米片（OH?BNNS）和熱塑性聚氨酯（TPU）紡絲溶液在微通道限域空間內(nèi)的自組裝，再由高壓電場(chǎng)拉伸成絲，從而得到高強(qiáng)度OH?BNNS/GO/TPU復(fù)合納米纖維膜，OH?BNNS/GO/TPU納米纖維膜的拉伸強(qiáng)度達(dá)到46.47 MPa, 比純TPU納米纖維膜提高了近七倍。通過微流控紡絲誘導(dǎo)組裝，二維納米片與熱塑性聚氨酯之間存在多重非共價(jià)相互作用導(dǎo)致OH?BNNS/GO/TPU納米纖維膜的機(jī)械強(qiáng)度顯著提高。這種具有物理和化學(xué)作用相結(jié)合的新型紡絲技術(shù)-微流控靜電紡絲為構(gòu)筑高強(qiáng)度的功能納米纖維提供了理論和技術(shù)支持。

此外，GO和OH?BNNS增強(qiáng)了納米纖維膜的穩(wěn)定性和全光譜吸收率，同時(shí)引入了豐富的多級(jí)孔道結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了纖維膜的水傳輸行為。實(shí)驗(yàn)表明，3D花狀OH?BNNS/GO/TPU納米纖維膜的花瓣，具有的巨大深度和獨(dú)特的形狀可提供多次內(nèi)部光反射行為，水蒸發(fā)速率高達(dá)4.04 kg/m2/h。該研究成果以“Microfluidic-assisted self-assembly of two-dimensional nanosheets toward in situ generation of robust nanofiber films”為題發(fā)表在期刊Small上。南京理工大學(xué)博士研究生周靚靚為第一作者，南京理工大學(xué)肖繼軍教授，南京工業(yè)大學(xué)楊曉寧教授、陳蘇教授為通訊作者。

該課題得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、江蘇省高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程。

圖文速遞

圖1 微流控輔助自組裝過程的示意圖；a)微流控靜電紡絲技術(shù)制備高強(qiáng)度OH?BNNS/GO/TPU納米纖維膜的示意圖；b) 二維納米片和TPU的相互作用示意圖。

圖2 OH?BNNS/GO/TPU納米纖維膜增強(qiáng)的機(jī)理。a) TPU、OH?BNNS、GO和OH?BNNS/GO/TPU納米纖維膜的紅外光譜圖；b) OH?BNNS/GO/TPU納米纖維膜拉伸性能提高的機(jī)理圖; 不同二維納米片含量的納米纖維膜 (c-e) 對(duì)應(yīng)官能團(tuán)的顯微紅外圖像圖和 (f-h) 拉伸強(qiáng)度的對(duì)比圖。

圖3 DFT計(jì)算結(jié)果。結(jié)構(gòu)模型包括: a1) OH?BNNS/GO, b1) GO和 c1) OH?BNNS；a2, b2, c2) 通過降低密度梯度等值面分析結(jié)構(gòu)模型的非共價(jià)相互作用；a3, b3, c3) 通過AIM分析結(jié)構(gòu)模型的分子形貌。

圖4 OH?BNNS/GO/TPU納米纖維膜的光熱性能。a) 水蒸發(fā)示意圖；在1 kW m-2 下纖維膜的 b) 蒸發(fā)質(zhì)量變化和 c) 蒸發(fā)效率；d) 多維OH?BNNS/GO/TPU納米纖維膜的俯視圖和平行光束的簡(jiǎn)化反射示意圖；e) 三維花形蒸發(fā)器的界面太陽能蒸發(fā)示意圖；f) 多維OH?BNNS/GO/TPU納米纖維膜的透射光譜和反射光譜，g) 比表面積，h) 蒸發(fā)速率（黑柱）和蒸發(fā)效率（紅星）；i) 三維纖維膜蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率比較；j) 三維纖維膜蒸發(fā)器的水蒸發(fā)循環(huán)性能

審核編輯 ：李倩