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            桂林電子科大團研發出可產生超高性能太陽能蒸汽的光熱氣凝膠
            發布者:lzx | 來源: 科學材料站 | 0評論 | 1860查看 | 2020-05-14 11:08:31    

            高效的太陽能蒸汽產生(SSG)依賴于相干光熱材料出色的光吸收,足夠的水傳輸,大的蒸發面積以及高的熱利用能力。但尚無將這些功能整合到整體結構上的通用方法,其在化學組成和孔結構方面具有設計靈活性。


            基于以上現狀,桂林電子科技大學苗蕾、周建華等在國際知名期刊NanoEnergy上發表題為“Integrated photothermal aerogels with ultra high-performance solar steamgeneration”的論文。Yufei Gu為本文第一作者。


            本文設計并演示了一種通用的殼聚糖(CS)氣凝膠,該氣凝膠易于與其他光熱材料兼容以實現高效SSG。CS氣凝膠是通過液相一鍋法冷凍干燥合成的,沒有任何交聯劑。CS復合氣凝膠不僅保留了CS氣凝膠的初始特性,而且還集成了生物相容性,親水性和高絕熱性能,并通過設計的多孔結構通過集光和多重散射的作用增強了光吸收能力。


            與CS氣凝膠復合并通過凍干機(PP0.1CS1.5-L)冷凍干燥的碳化柚皮顆粒表現出出色的SSG性能,蒸發速率高達1.78kgm-2h-1,遠遠超出了正常太陽輻射為1kWm-2的二維SSG系統。這項研究為輕巧地制造可重復使用,低成本,無毒和高性能的功能性氣凝膠開辟了一條新途徑。


            1.太陽能蒸汽發電的研究現狀


            受地球水循環的啟發,利用光熱轉化材料直接驅動加速水蒸發并收集系統中的清水的太陽能蒸汽發電(SSG)在污水處理和海水淡化中具有巨大的潛力。SSG的太陽能熱轉換效率比傳統的散裝水加熱要高得多,尤其是在界面系統中,充當太陽能吸收劑的光熱轉換材料層可以漂浮在空氣-水界面處并實現局部加熱。


            通常,高性能太陽能蒸汽發生器需要具備以下特征:對太陽光的吸收極好;充足的供水;高的熱管理能力;蒸發面積大。


            最近,已經設計和優化了熱管理和水輸送/蒸發路徑,以進一步減少熱量損失,增加蒸發面積以提高轉化效率。作為SSG的核心能量轉換組件,需要具有綜合性能的光熱材料。已探索的候選材料包括碳基材料,貴金屬納米顆粒和窄帶隙半導體,用于各種聚合物。已經設計了光熱轉換材料以形成多孔微結構或將其裝載在額外的多孔基材上,這將增加散射引起的光捕獲。裝載在多孔膜上的光熱材料比相同量的裝載在平面膜上的材料具有更好的光捕獲能力,光吸收率從60%提高到99%。


            最近,通過水熱和冷凍干燥工藝合成的還原型氧化石墨烯(rGO)氣凝膠顯示出三維(3D)多孔結構,從而導致寬帶光吸收和高達90%的太陽到蒸氣傳遞效率。但是,rGO的準備過程復雜,昂貴且耗時。rGO氣凝膠太脆弱,無法回收利用,這限制了其在SSG中的廣泛應用。此外,由碳化酚醛樹脂生產的碳基氣凝膠也存在類似問題。


            2.聚合物光熱材料的研究現狀及存在的問題


            取而代之的是,聚合物光熱材料具有巨大的優勢,因為它們柔軟,便宜,可在整料中制造,并且易于功能化為復合材料。以3D光熱錐形態制備了涂覆在聚偏二氟乙烯膜上的聚吡咯,其光吸收率為99%,蒸發速率為1.70kgm-2h-1。精心設計了炭黑涂層纖維素層和棉芯的復合材料,以形成具有高蒸發面積和低投影比的圓柱陣列。在僅0.25kWm-2的光照下,蒸發速率為0.89kgm-2h-1。


            通過這種精心設計,提高了性能是由于減少了頂表面的能量損失以及從側面獲得的補充能量。在我們以前的工作中,開發了模擬樹系統(MTS),其太陽熱轉換效率高達91.3%。用作MTS根部的氣流成網紙將太陽能吸收層與散裝水分開,這不僅為SSG提供了足夠的水,而且還降低了向散裝水的熱傳導并提高了熱利用效率。


            膨脹聚乙烯(EPE)泡沫也用于包裹MTS,以抑制熱量散發到周圍環境中。基于數值模型,總熱損失約占總傳入太陽能的7.4%,從而確保了MTS中出色的熱管理和高效的SSG。具有三層壓花結構的MTS中的納米油墨染色的聚乙烯醇海綿在1陽光照射下的蒸發速率提高了7.2倍,是純水的蒸發速率。


            由于SSG中使用的上述材料直接從商品獲得,因此它們的孔結構是固定的。難以根據其孔結構來調整光吸收特性。此外,當功能組分被集成以形成復合物時,合成過程變得更加復雜。因此,開發一種容易且對環境友好的途徑來形成用于SSG的具有可調節孔結構的聚合物整料仍然是一個巨大的挑戰。


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            圖1:圖片概要


            在這項工作中,作者設計并演示了一種通用的殼聚糖(CS)氣凝膠,該氣凝膠可與其他光熱材料兼容,以實現SSG的高效率。CS是一種從貝類中提取的可持續材料,由于其具有豐富的羥基和酰胺原,因此對重金屬離子具有優異的吸收能力,并且在水污染處理,食品包裝,藥物載體,和傷口修復。


            CS氣凝膠是通過液相一鍋法冷凍干燥合成的,沒有任何交聯劑,其中CS氣凝膠的孔徑和結構可通過改變冷凍干燥技術來調節。通過冷凍干燥機(CS1.5-L)制備的CS濃度為1.5wt%的氣凝膠的孔隙率為96%,導熱系數較低,為0.033Wm-1K-1,并且負載能力非常大。物料的內徑超過自重的8565倍,而沒有明顯的變形。


            此外,作者證明了液相一鍋法冷凍干燥法制備CS型復合氣凝膠的可行性,該方法是將光熱顆粒或分散液與CS溶液混合,然后直接冷凍澆鑄。所獲得的復合CS氣凝膠不僅保留了CS氣凝膠的初始特性,而且還基于多孔結構增強了光吸收能力,從而獲得了適于改善MTS裝置中SSG性能的值。


            在這些CS復合氣凝膠中,與CS氣凝膠復合并通過凍干機(PP0.1CS1.5-L)冷凍干燥的碳化柚皮(PP)顆粒具有出色的SSG性能,蒸發速率高達1.78kgm-2h-1,遠遠超出了二維(2D)SSG系統在正常的1kWm-2的太陽輻射下所能達到的范圍。


            這種環保,易相容且用途廣泛的CS氣凝膠,具有易于調節的孔隙結構,可滿足高性能和大規模生產SSG的光熱材料的要求。


            光熱材料氣凝膠集成了增強的光吸收,便捷的水傳輸和提高的熱利用率。


            ?高達1.781.kgm-2h-1的蒸發速率遠遠超過了二維SSG系統在1kWm-2的正常太陽輻射下所能達到的蒸發速率。


            ?殼聚糖氣凝膠易于與其他光熱材料兼容,以產生高效的太陽能蒸汽。


            ?復合氣凝膠的孔徑和結構可以通過調節冰的形成方向和凍結溫度來輕松控制。


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            圖2:集成光熱轉換氣凝膠的制作過程:The fabrication of Integrated photothermal conversion aerogel . Schematic of the solid-liquid (powder in CS solution) and liquid-liquid (dispersion in CS solution) one-pot freeze drying fabrication process and the mechanism of CS-based composite aerogelin SSG.

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