基于微流控纺丝诱导组装法构筑高强度纤维膜，实现高效太阳能水蒸发

自组装，是指单个构筑基元通过非共价相互作用形成有序结构材料的过程。自组装广泛存在于自然界中，对理解生命活动、指导材料设计及推动新材料衍生具有重要作用。另外自组装在高强度材料领域已经取得了进展，但在纳米尺度上对纤维成分和微观结构的精确组装与控制仍然是一个巨大的挑战。

针对上述问题，南京工业大学材料化学工程国家重点实验室陈苏教授团队与南京理工大学化学与化工学院肖继军教授合作，采用微流控纺丝诱导组装的方法，通过氧化石墨烯（GO）、羟基功能化的氮化硼纳米片（OH−BNNS）和热塑性聚氨酯（TPU）纺丝溶液在微通道限域空间内的自组装，再由高压电场拉伸成丝，从而得到高强度OH−BNNS/GO/TPU复合纳米纤维膜，OH−BNNS/GO/TPU纳米纤维膜的拉伸强度达到46.47 MPa, 比纯TPU纳米纤维膜提高了近七倍。通过微流控纺丝诱导组装，二维纳米片与热塑性聚氨酯之间存在多重非共价相互作用导致OH−BNNS/GO/TPU纳米纤维膜的机械强度显著提高。这种具有物理和化学作用相结合的新型纺丝技术-微流控静电纺丝为构筑高强度的功能纳米纤维提供了理论和技术支持。

此外，GO和OH−BNNS增强了纳米纤维膜的稳定性和全光谱吸收率，同时引入了丰富的多级孔道结构，增强了纤维膜的水传输行为。实验表明，3D花状OH−BNNS/GO/TPU纳米纤维膜的花瓣，具有的巨大深度和独特的形状可提供多次内部光反射行为，水蒸发速率高达4.04 kg/m²/h。该研究成果以“Microfluidic-assisted self-assembly of two-dimensional nanosheets toward in situ generation of robust nanofiber films”为题发表在期刊Small上。南京理工大学博士研究生周靓靓为第一作者，南京理工大学肖继军教授，南京工业大学杨晓宁教授、陈苏教授为通讯作者。

该课题得到了国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划、江苏省高校优势学科建设工程。

图文速递

图1 微流控辅助自组装过程的示意图；a)微流控静电纺丝技术制备高强度OH−BNNS/GO/TPU纳米纤维膜的示意图；b) 二维纳米片和TPU的相互作用示意图。

图2 OH−BNNS/GO/TPU纳米纤维膜增强的机理。a) TPU、OH−BNNS、GO和OH−BNNS/GO/TPU纳米纤维膜的红外光谱图；b) OH−BNNS/GO/TPU纳米纤维膜拉伸性能提高的机理图; 不同二维纳米片含量的纳米纤维膜 (c-e) 对应官能团的显微红外图像图和 (f-h) 拉伸强度的对比图。

图3 DFT计算结果。结构模型包括: a1) OH−BNNS/GO, b1) GO和 c1) OH−BNNS；a2, b2, c2) 通过降低密度梯度等值面分析结构模型的非共价相互作用；a3, b3, c3) 通过AIM分析结构模型的分子形貌。

图4 OH−BNNS/GO/TPU纳米纤维膜的光热性能。a) 水蒸发示意图；在1 kW m-2 下纤维膜的 b) 蒸发质量变化和 c) 蒸发效率；d) 多维OH−BNNS/GO/TPU纳米纤维膜的俯视图和平行光束的简化反射示意图；e) 三维花形蒸发器的界面太阳能蒸发示意图；f) 多维OH−BNNS/GO/TPU纳米纤维膜的透射光谱和反射光谱，g) 比表面积，h) 蒸发速率（黑柱）和蒸发效率（红星）；i) 三维纤维膜蒸发器的蒸发速率和蒸发效率比较；j) 三维纤维膜蒸发器的水蒸发循环性能

审核编辑 ：李倩