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蘇州納米所王錦等在仿生結構設計及其嚴寒被動供暖和地表水快速凈化取得系列進展

地球是生命的家園,孕育著無數種類的生命,但人類以及大部分生物對生存環境的要求都十分苛刻:溫度適宜、水份充足等。隨著極端嚴寒和極端高溫天氣的頻發,無源被動熱管理技術已經不僅涉及節能減排問題,而且關系到在荒野、能源缺乏等地區的生存等問題;而地震、森林火災、臺風、泥石流、海嘯等自然災害,在人口聚集區也可能造成能源匱乏以及飲用水的短缺。如何保障上述情況中人們的保暖和飲水的應急需求,成為目前需要重點關注的問題之一。為此,中科院蘇州納米所王錦等人以氧化硅氣凝膠為功能基元,分別設計了LBL層狀結構實現極端高低溫的無源被動熱調控(ACS Nano 2021, 15, 19771),以及高拉伸聚合物薄膜實現高溫下的被動降溫(Adv. Sci. 2022, 9, 2201190)等無源熱管理材料和體系。

近日,受北極熊皮層結構的的啟發,該團隊等設計了一種基于氧化硅氣凝膠的仿生多層結構(Bioinspired Multilayer Structure, BMS),成功實現寒冷環境下利用陽光的高效被動制熱,如圖1所示,提出一種透明氣凝膠/光熱轉化材料(PTCM/相變儲能材料(PCM)的仿北極熊皮層的BMS結構,分別對應北極熊的透明保溫毛發、黑色皮膚、以及厚厚的脂肪層。其中氣凝膠能夠使陽光進入PTCM層,轉化成熱量,同時防止熱量的散失。而PCM層防止內部溫度過高,存儲大量能量,并在無太陽光照射時補充能量,實現長續航被動供暖。圖2為采用此仿生結構用于寒冷環境的建筑被動供暖實驗,結果表明在氣溫只有0℃的冬天,BMS結構內的溫度可大于40℃。通過優化(圖2c、2d),在冬日入射角較低、環境溫度低于15℃時,建筑物內部溫度可高達45℃以上,太陽下山后,依然可長時間維持在20℃以上,,結果表明此仿北極熊皮層BMS結構起到協同效應,不僅實現嚴寒下太陽能的被動制熱和供暖,氣凝膠和PCM的協同實現溫度的調控以及長續航供暖。

     1 a、b)北極熊的皮層結構:透明、疏水、保溫毛發層,黑色皮膚層,脂肪層;(c)仿生結構設計:透明、疏水、絕熱的氣凝膠層,光熱吸收轉化層,相變儲能層;(d)仿北極熊皮層結構應用場景示意圖;(e)透明氧化硅氣凝膠照片;(f、g)仿生結構不同角度的照片

     2 a、b)仿生結構與普通建筑模型及其被動太陽光制熱性能;(c、d)優化后的仿生結構與普通建筑模型及其被動太陽光制熱性能

進一步通過理論模擬了漠河地區20222月份的被動供暖效果(圖3),平均溫度在零下20℃以下,本文的仿北極熊BMS結構不僅實現40℃以上的被動制熱,而且在太陽落山之后,依然長時間維持溫度在26℃以上。這種仿生結構對南北極、高原、以及能源匱乏等極寒地區的長時間居住,提供了一種無源被動制熱/供暖的參考解決策略。本文以Bioinspired Multilayer Structures for Energy-Free Passive Heating and Thermal Regulation in Cold Environments為題發表在ACS Applied Materials & Interfaces上。論文第一作者為中科院蘇州納米所輕量化實驗室碩士生王靜,通訊作者為中科院蘇州納米所輕量化實驗室王錦項目研究員。

     3 a)仿生結構被動陽光制熱機理;(b)模擬的漠河地區20222月份的被動陽光制熱性能;(c)仿生結構各層厚度對被動制熱和溫度維持能力的影響

此外,針對野外長期生存以及自然災害突發時對飲用水的應急需求,該團隊與南京理工大學張軒團隊合作,受魚鰓結構高效水過濾和氣體交換速率的啟發,設計合成了一種仿魚鰓結構的仿生多孔薄膜(-殼結構PPy@PI納米纖維膜):以靜電紡聚酰亞胺(PI)納米纖維膜為基質模擬魚鰓絲,Py單體在PI納米纖維表面原位聚合形成聚吡咯(PPy)模擬魚鰓絲凸起(圖4),從而在獲得大通量的同時,實現高效的固體污染物的快速過濾以及可溶污染物的快速吸附,解決野外地表水的快速過濾直飲的需求。

     4 (a)便捷式快速水凈化傳統夾層結構示意圖; (b)魚鰓及魚絲的示意圖; (c)以魚鰓為靈感設計的仿生結構; (d)-殼結構PPy@PI納米纖維膜的合成示意圖

本工作進一步以京杭大運河蘇州段地表水為實際驗證對象,探究了PPy@PI納米纖維膜對河道天然水的凈化能力。結果表明,該膜可以有效去除河流濁水中的懸浮物和大腸菌群,去除率分別為94.1%100%,同時滲透液中的Cr6+ 濃度仍然滿足飲用水的安全標準(圖5)。在整個過濾測試過程中沒有添加任何化學物質,因此,這種理想的消毒效果確保膜系統的安全產水,有望擴大其在新興的野外清潔水供應中的應用。相關工作近日以“Biomimetic CoreShellStructured Nanofiber Membranes for Rapid and Portable Water Purification”為題發表在ACS Applied Materials & Interfaces上。論文第一作者為南京理工大學與蘇州納米所聯合培養碩士生商苗苗,通訊作者為中科院蘇州納米所輕量化實驗室王錦項目研究員和南京理工大張軒教授。

     5 (a)水源地照片:位于京杭大運河蘇州段;(b)過濾前后地表水的光學照片;(c) PPy@PI-7納米纖維膜過濾前(c1)和過濾后(c2:上表面,c3:下表面)SEM圖像;(d) PPy@PI-7納米纖維膜的EDS;(e)過濾后膜頂部的元素含量;(f) PPy@PI-7納米纖維膜凈化地表水的結果 

以上工作分別獲得國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金以及蘇州市科技局等項目資助。


        論文鏈接: Bioinspired Multilayer Structures for Energy-Free Passive Heating and Thermal Regulation in Cold Environments

                   Biomimetic CoreShellStructured Nanofiber Membranes for Rapid and Portable Water Purification


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