武漢大學Nano Energy : 用于太陽能蒸汽產生的仿生毛細管驅動泵

【引言】

高效捕獲太陽能用于液-氣相變這一技術具有廣泛的應用，從用于水凈化和消毒的小型獨立太陽能轉換器，到大規模應用的太陽能海水淡化系統、太陽能發電等。傳統過程中，對大部分水同時升溫以產生蒸汽。然而，蒸發是一個表面的過程，表面的高能態水分子易轉為氣相。因此傳統的整體升溫方法使得大量的熱向部分未蒸發的水傳導，產生熱量散失。

【成果簡介】

近日，武漢大學胡雪蛟教授、江海峰博士(共同通訊作者)等受植物蒸騰現象啟發，報道了一種可用于高效太陽能蒸汽產生的毛細管驅動泵，并在Nano Energy上發表了題為“A bioinspired capillary-driven pump for solar vapor generation”的研究論文。上述泵主要由多孔親水修飾NiO(M-NiO)盤和一維水通道組成。表面沉積了具有三層結構的TiAlON基納米復合材料吸收體的M-NiO可有效地捕獲太陽輻射(吸收率為0.97)。受多孔M-NiO中的毛細力驅動，泵可以通過一維通道不斷將水輸送至太陽能吸收器用于蒸發，1個太陽強度下太陽能-蒸汽轉換效率達到73%，4個太陽強度下可達到90%。較高的轉換效率應歸因于M-NiO盤的高吸收能力以及一維供水設計降低了熱量損失。上述易于擴大規模的新設計為在太陽能密度較低的情況下捕獲陽光以進行太陽能蒸發提供了一種有效的解決方法。

【圖文簡介】

圖1 受植物蒸騰現象啟發的毛細管驅動泵示意圖

a) 植物蒸騰現象示意圖；

b) 用于高效太陽能蒸汽產生的仿生毛細管驅動泵。

圖2 多孔NiO盤的制備過程

a) 原始鎳粉； ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?b) 鎳盤；

c) 燒結后的NiO盤； ? ? ? ? ? ? ? d) 負載了TiAlON基光吸收材料的NiO盤。

圖3 多孔NiO和M-NiO盤的形貌表征

a) 多孔NiO的表面形貌，內插圖為一滴水被NiO表面吸收的快照；

b) 多孔M-NiO的表面形貌，內插圖為一滴水被M-NiO表面吸收的快照；

c) M-NiO盤的橫斷面形貌；

d) 多孔NiO和M-NiO盤的孔徑分布。

圖4 TiAlON基材料的光吸收和形貌表征

a) NiO和M-NiO盤的實測吸收光譜；

b) 三層結構TiAlON基光吸收材料的TEM圖像；

c) 底層的HRTEM圖像以及Ti3AlN和TiN的IFTT圖；

d) 底層的理論吸收光譜，內插為594 nm下含有Ti3AlN(藍色)和TiN(淺藍色)的底層理論橫斷面電場分布；

e) 中層的HRTEM圖像以及TiN的IFTT圖；

f) 中層的理論吸收光譜，內插為630 nm下含有TiN的中層理論橫斷面電場分布。

圖5 仿生毛細管驅動泵的組成

a) 仿生毛細管驅動泵的組裝過程； ? ? ? ? ? ? ? b) 4 kW·m-2太陽密度下蒸汽產生圖片。

圖6 仿生毛細管驅動泵的蒸汽產生性能

a) 太陽能蒸汽產生的實驗裝置示意圖；

b,c) 在1個和4.8個太陽強度下，泵的蒸發質量損失；

d) 在一系列光密度下泵的蒸發速率；

e) 在不同光密度下蒸發表面的溫度；

f) 在不同光密度下泵的太陽能-蒸汽轉化效率。

【小結】

研究人員成功地開發了一種基于毛細管現象的高效太陽能蒸汽產生仿生泵。通過沉積三層TiAlON基納米太陽能吸收器于NiO盤的表面，M-NiO的太陽吸收率高達0.97。結合多孔親水性M-NiO盤和一維供水設計，毛細管驅動泵在1個太陽強度下的太陽能-蒸汽轉換效率可達到73%，4個太陽強度下可達到90%。上述易于擴大規模的新設計在太陽能密度較低的情況下具有一定潛在的應用。

文獻鏈接：A bioinspired capillary-driven pump for solar vapor generation?(Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.10.039)

本文由材料人編輯部新能源小組abc940504編譯整理，參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065953”。

投稿以及內容合作可加編輯微信：RDD-2011-CHERISH，任丹丹，我們會邀請各位老師加入專家群。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

儀器設備、試劑耗材、材料測試、數據分析，找材料人、上測試谷！