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摘 要

螺旋形态是自然界中最重要和最具标志性的结构之一。螺旋结构材料代表了一种具有独特螺旋几何形状的新兴材料。由于其结构的独特性，使得他们在功能材料制备方面有很大的研究价值。然而，目前在微、纳米尺度上制造结构可控和功能集成的螺旋材料仍然是一个挑战。此外，光热材料由于具有高效的太阳能吸收能力，能够将清洁太阳能能源转化为热能并应用于水蒸发、发电和其他诸多领域。本文通过简易的同轴毛细管微流控芯片，以海藻酸钠/炭黑溶液作为内相，氯化钙溶液作为外相，制备出了螺旋微纤维光热吸收剂。微流控技术可以精确地调控纤维的组成、结构和形貌，螺旋纤维的长度、直径和螺距可以通过内外相流速和芯片的结构进行控制。通过镜像显微镜可以观察到炭黑均匀分散在透明的海藻酸钙纤维中，此外，该螺旋纤维具有优异的吸水能力。将螺旋微纤维光热吸收剂用于界面太阳能光热水蒸发，在1 kWm^-2的照射条件下，水蒸发速率达到了1.565 kg m^-2 h^-1，光热蒸发效率为95.6%。该材料表现出的优异的吸水能力和光热效率使其有望在光热蒸发和海水脱盐等领域有潜在的应用。

关键词：微流控技术；螺旋纤维；光热转化；界面水蒸发

Microfluidic-Directed Carbon-based Spiral Fibers for Interfacial Solar Water Evaporation

Abstract

Spiral morphology is one of the most important and iconic structures in nature. The spiral materials represent emerging material group with unique spiral geometry. Due to their unique structure, they have great research value in the preparation of functional materials. However, it is still a challenge to manufacture spiral materials with controllable structure and functional integration on the micro-nanoscale. In addition, due to the high efficiency of solar energy absorption, photothermal materials can transform clean solar energy into heat energy and be used in water evaporation, power generation and many other fields. In this paper, the spiral microfiber photothermal absorbents were prepared by a simple coaxial capillary microfluidic chip with sodium alginate/carbon black solution as the internal phase and calcium chloride solution as the external phase. Microfluidic technology can precisely regulate the composition, structure and morphology of the spiral microfiber. The length, diameter and pitch of the spiral microfiber can be modulated by the internal/external phase flow rate and the structure of the chip. Through metallographic microscope, it can be observed that carbon blacks were uniformly dispersed in the transparent calcium alginate microfiber. In addition, the spiral microfiber has excellent water absorption capacity. The spiral microfiber photothermal absorbers were used to interfacial water evaporation. The water evaporation rate reached to 1.565 kg m^-2 h^-1, and the light and heat evaporation efficiency was 95.6% under 1 kWm^-2. The excellent water absorption capacity and photothermal efficiency of the spiral microfiber make it expected to have potential applications in the fields of photothermal evaporation and seawater desalination.

Keywords: Microfluidic; Spiral fiber; Photothermal conversion; Interfacial water evaporation

第一章 文献综述 1

1.1 引言 1

1.2 界面水蒸发 1

1.2.1研究背景 1

1.2.2光热材料 2

1.2.3现状与存在的问题 3

1.3螺旋纤维 4

1.3.1螺旋纤维研究背景与现状 4

1.3.2海藻酸钠凝胶螺旋纤维制备原理 5

1.4本学位的研究目的和内容 6

1.4.1 研究内容 6

1.4.2 关键问题 6

1.4.3拟采用的研究手段： 6

第二章 实验部分 8

2.1实验原料 8

2.2实验仪器及设备 8

2.3实验装置 8

2.4螺旋纤维芯片制作 9

2.5螺旋纤维的制备 10

2.6界面水蒸发实验 11

2.7表征方法 13

第三章 结果与讨论 14

3.1螺旋纤维光学显微镜图像 14

3.2红外光谱（FT-IR）分析 15

3.3结构和光热水蒸发速率之间的关系 16

3.3.1界面水蒸发实验结果与分析 16

第四章 结论 21

参考文献 22

致谢 27

1. 文献综述
   1. 引言

当前能源危机和环境压力不断增加，急需革新技术以突破能耗障碍。太阳能光热蒸发技术因其可持续、低/无能耗、零CO₂排放等特点，近年来成为研究热点。而作为太阳能光热转化材料，碳基螺旋纤维由于其结构和物理、化学性质，被广泛应用于光伏发电^[1]，光催化^[2]和太阳能水蒸发^[3-5]等领域。微流控作为一种能精密控制微纤维的方法，是实现碳基螺旋纤维制备的有效方法。通过调节微流控芯片内流体流量可精确地调控螺旋纤维的结构，如微纤维的长度、直径和节距等。另外，通过改变微流体的通道和结构，可以产生具有新型双面结构、三重结构、核-壳结构甚至双螺旋结构的螺旋型微纤维，进一步拓展结构光热纤维材料在太阳领域的应用。

• 1. 界面水蒸发

1.2.1研究背景

随着化石燃料的快速消耗，太阳能作为一种可持续能源，已经成为人类社会发展的一种有前景的能源形式。将太阳能转换成可直接使用或储存的形式是利用太阳能的一种普遍方法。太阳能驱动的界面蒸发,作为一个新兴高效的太阳能转换方法,在水净化^[6-8]、脱盐^[9]、蒸汽生成^[10-13]和发电^[14-16]等不同的领域得到了使用。

传统蒸发是通过加热大量的水来实现的。这样的过程通常容易热损失，导致低能量转换效率。

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