华中大瞿金平院士/牛冉研究员团队《Small》：低成本、大规模制备用于光热除冰和界面蒸发的耐久性超疏水PE/GNS泡沫材料

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淡水资源在所有生物的生命过程中发挥着不可或缺的作用，以高效和经济的方式获取淡水对于人类的可持续发展至关重要。太阳能光热界面蒸发集水是目前解决全球淡水资源短缺最有前途和绿色可持续的解决方案之一。在过去的十年间，各种太阳能蒸发器在海水淡化中的应用得到了广泛的关注。尽管光热材料和太阳能蒸发系统的研究取得了快速而显著的进步，但目前科学研究与实际应用之间的差距仍然是一个急需面对的挑战。一方面，污染物、酸碱腐蚀、冰、风等外界因素都会对蒸发器的效率造成很大损失，更严重的是对蒸发器造成永久性损坏；此外，产业化和生产成本作为决定太阳能蒸发器竞争力的两个关键因素，仍然需要进一步的开发和改进，才能促进太阳能蒸发系统的规模化推广应用。因此，如何实现具有强化学、润湿和热稳定性的太阳能蒸发器的低成本、规模化制备至关重要。

近日，华中科技大学瞿金平院士团队提出了一种结合熔融共混和压缩成型的聚合物成型方法（图1），即微挤注压缩成型，用于经济高效地制造具有三维互连蒸汽逸出通道和表面微纳结构的轻质聚乙烯/石墨烯纳米片(PE/GNS)泡沫，其脆断面和表面形貌如图2,3所示。该微纳结构PE/GNS泡沫材料表面展现出155±2°的接触角、5±1°的滚动角和在300-2500 nm波长范围内约1.6%的反射率。更有趣的是，微纳结构PE/GNS泡沫表面可以在动态冲击、高温和酸/碱溶液下保持稳健的超疏水状态（图4）。这些结果意味着微纳米结构的PE/GNs泡沫表面同时具有自清洁、被动防冰和光热除冰性能（图5）。此外，该泡沫在1个太阳光照射下的蒸发速率为1.83 kg m^-2 h^-1，并且在用作自浮式太阳能蒸发器时具有出色的抗盐性能（图6）。该方法为大规模生产适用于实际应用环境的太阳能蒸发器提供了一种理想的工业化制造方法。相关工作以“Cost-effective fabrication of micro-nanostructured superhydrophobic polyethylene/graphene foam with self-floating, optical trapping, acid-/alkali resistance for efficient photothermal deicing and interfacial evaporation”为题发表在Small上。

图1 微纳结构耐久性超疏水PE/GNS泡沫材料的制备过程原理示意图

图2 微纳结构耐久性超疏水PE/GNS泡沫材料宏观照片与断面形貌

图3 微纳结构耐久性超疏水PE/GNS泡沫材料的表面形貌和抗反射机制

图4 微纳结构耐久性超疏水PE/GNS泡沫材料的表面润湿耐久性与稳健性

图5 MN-PEGNs10泡沫的被动防冰和主动除冰性能及光热除冰机理

图6 MN-PEGNs10泡沫的界面蒸发和抗盐性能

论文第一作者为华中科技大学化学与化工学院博士后谢恒，论文通讯作者为华中科技大学化学与化工学院吴婷老师和牛冉研究员。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发项目、博士后面上项目以及华中科技大学人才引进启动基金的资助。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202200175

团队简介：

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华中科技大学瞿金平院士团队自2019年组建至今，主要围绕多相多组分体系传递与反应过程强化、生态难消纳物质绿色化替代与再利用、功能材料绿色高效制造与产业化应用开展相关研究工作。团队与国内外众多高校、研究机构和企业保持密切合作，目前在研纵向和横向项目多项，拥有一批先进的高分子材料合成、加工和测试表征仪器设备，具备完善的研究设施和科研条件。团队常年招收硕士研究生、博士研究生、科研助理、机械工程师和博士后（[e-mail]；[e-mail]）。 

谢恒，华中科技大学化学与化工学院博士后，主要研究方向为聚合物表面仿生构造与功能高分子材料，博士学位论文获得中国机械工程学会第9届“上银优秀机械博士论文奖”佳作奖，已在Small、Chem. Eng. J.、Nanoscale、J. Bionic. Eng.、Soft Matter、Nanotechnology等具有重要影响力的国际刊物上发表SCI论文10余篇，授权发明专利8件，主持或参与国家自然科学基金、国家重点研发计划等国家和省部级科技项目多项。

吴婷，华中科技大学化学与化工学院讲师，主要研究方向为聚合物成型加工新方法和功能材料绿色高效制造技术，已在Adv. Mater.、Small、Chem. Eng. J.、Compos. Part A-Appl. S.、Compos. Sci. Technol.、Polymer、Soft Matter等具有重要影响力的国际刊物上发表SCI论文20余篇，其中一篇入选ESI Top 1%高被引，申请发明专利7件，主持和参与国家自然科学基金、国家重点研发计划等国家和省部级科技项目多项，主持横向项目2项。

牛冉，华中科技大学化学与化工学院研究员、博士生导师，主要研究领域为微纳马达和新能源材料。目前以第一或通讯作者身份在PRL、PNAS、Sci. Adv.、ACS Nano、Small、Energy Environ. Mater.、Chem. Eng. J.等具有重要影响力的国际刊物上发表SCI论文40余篇，主持承担国家自然科学基金、重点研发计划等国家和省部级科技项目多项，并获得湖北省海外高层次人才计划等多项荣誉奖励。

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