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二維超泡沫在改善太陽能水蒸發的應用研究

釋出時間•☁╃◕↟:2022-07-07      點選次數•☁╃◕↟:153


作為最.有.效的水淨化方法之一☁◕,太陽能淨化水已獲眾多研究學者的關注•◕•╃。一方面☁◕,利用太陽能淨化水非常環保☁◕,另一方面☁◕,該工藝所需的裝置安裝和操作要求相對較低•◕•╃。為了提高太陽能淨化水的效率☁◕,已有學者提出了幾種淨化方法☁◕,如預熱法✘₪☁、夜間加熱法和附加熱源法,帶有黑色吸收片(BAS)的增強型太陽能蒸餾法(SSG)就是其中的一種方法•◕•╃。但SSG蒸發只發生在水-氣介面☁◕,如何增加加熱過程中介面面積成了提高SSG效率的關鍵•◕•╃。此外☁◕,BAS材料本身的效能也是SSG的速率的重要影響因素•◕•╃。


大量研究發現☁◕,微尺寸多孔結構BAS可以提高SSG的蒸發速率•☁╃◕↟:一方面☁◕,這種結構大大增加了水-氣介面;另一方面☁◕,BAS自身具有高吸收率和良好的隔熱效能☁◕,這既能夠減少熱量損失☁◕,又能夠提高吸熱效率•◕•╃。此外☁◕,雙層BAS能夠進一步提高SSG的速率•◕•╃。通常☁◕,BAS可以由化學方法或者碳化方法制得☁◕,然而這樣製得的BAS的孔徑的大小和孔的分佈都是隨機的☁◕,無法可控地得到*佳的蒸發速率•◕•╃。為了進一步最佳化SSG☁◕,古斯塔夫埃菲爾大學的Elyes Nefzaoui團隊與巴黎東大Tarik Bourouina以及西安交通大學的韋學勇教授聯合提出了一種二維超材料泡沫(meta-foams)☁◕,這種超泡沫具有確定的孔徑和規則的孔分佈☁◕,在最佳化研究中可作為有效可控的模型☁◕,該團隊也將這種超泡沫作為表面增強型太陽能水蒸發器的研究工作中•◕•╃。


在該研究工作中☁◕,奈米黑矽(B-Si)因其在可見光到近紅外波段具有優異的吸收率和光熱效能被用作超泡沫材料•◕•╃。採用等離子刻蝕製備了具有分層奈米結構和週期性二維多孔超泡沫☁◕,並就孔徑大小✘₪☁、孔的數量對蒸發速率的影響進行了探索•◕•╃。研究發現•☁╃◕↟:孔徑和孔的數量是一把雙.刃劍☁◕,一方面☁◕,孔徑和數量要儘可能的多☁◕,以保證系統能提供充足的水量;另一方面☁◕,孔徑過大和數量過多會導致吸收的熱量減少•◕•╃。此外☁◕,研究團隊也設計了雙層系統☁◕,以保證可靠的吸水性✘₪☁、穩定的吸熱和隔熱效能•◕•╃。


實驗表明☁◕,在一次太陽光輻射✘₪☁、常溫✘₪☁、相對溼度為58%時☁◕,直徑20μmB-Si超泡沫樣品*佳蒸發速率可達到1.34 kg/(h⋅m2)☁◕,轉換率可以達到可觀的89%(實驗條件不變的情況下☁◕,理論蒸發速率可達 1.5 kg/(h⋅m2))☁◕,蒸發速率是普通蒸餾法的3.96倍•◕•╃。同時☁◕,該團隊發現了另外一種低成本製造超泡沫的方法•☁╃◕↟:藉助摩方高精度3D列印裝置(nanoArch S130,摩方精密)製作超泡沫樣品•◕•╃。實驗證實☁◕,在同一實驗條件下☁◕,孔徑為275μm3D列印的超泡沫的蒸發速率為1.32 kg/h⋅m2)•◕•╃。這個結果與B-Si超泡沫的*佳值相當☁◕,在SSG中顯示出非常優越的效能•◕•╃。3D列印的超泡沫可以作為B-Si超泡沫的低成本代替品☁◕,具有很好的發展潛力和應用前景•◕•╃。


圖1.超泡沫的概念示意圖:(a)由二維週期結構製成的最佳化超材料☁◕,(b)應用於最佳化太陽能水淨化☁◕,(c)B-Si週期性微孔超泡沫的SEM影象•◕•╃。測量的吸收光譜:(d)不同多孔表面的原始測量資料☁◕,(e)暴露在太陽輻射下的結構表面有效吸收率•◕•╃。


圖2.二維B-Si超泡沫•☁╃◕↟:(a)斷面示意圖☁◕,(b)用於實驗樣品照片☁◕,(c)三種不同超泡沫材料的蒸發速率☁◕,與常規泡沫蒸發速率和自然水蒸發速率進行了比較•◕•╃。


 

圖3.3D列印的超泡沫•☁╃◕↟:(a)圓柱微孔的截面SEM檢視☁◕,(b)三種不同的超泡沫的蒸發速率☁◕,並與自然水蒸發速率進行了比較•◕•╃。


圖4.吸收率和蒸發速率✘₪☁、表面平衡溫度的函式關係


圖5.孔隙率和蒸發速率的函式關係


圖6.矽基二維超泡沫的製作過程


此外☁◕,該團隊還用海水對二維超材料超泡沫的表面強化型太陽能蒸餾進行了實驗評估•☁╃◕↟:將超泡沫在海水中浸泡了14天☁◕,並與同等實驗條件下用去離子水浸泡的超泡沫進行對比•◕•╃。實驗結果發現☁◕,在海水中浸泡14天后☁◕,超泡沫在SSG的蒸發效能降低約7%-9%•◕•╃。從圖7可推測☁◕,蒸發效能降低很可能是由於結晶鹽堵塞了超泡沫的孔隙☁◕,導致吸收率的降低•◕•╃。如果能夠解決孔隙堵塞的問題☁◕,那麼具有BAS超泡沫結構的SSG在海水淨化方面將發揮巨大的應用潛力•◕•╃。


圖7.(a)海水蒸發速率和去離子水蒸發速率的對比(b)海水中浸泡之前超泡沫表面的顯微鏡影象(c)海水中浸泡之後超泡沫表面的顯微鏡影象


 

該研究成果以題為•☁╃◕↟:Two-dimensional metamaterials as meta-foams for optimized surface-enhanced solar steam generation發表在《Solar Energy Materials & Solar Cells》期刊上•◕•╃。

 

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