Adv. Energy Mater. : 自足式集成碳海綿用于太陽能驅動界面水蒸發蒸餾及產電

【引言】

由于太陽能蒸發在家用水加熱、凈化、蒸餾、海水淡化和發電等領域具有潛在應用，已成為最具發展前景的新興太陽能熱技術之一。同時，碳基太陽能吸收材料由于其內在的寬光譜吸收、優秀的光熱傳導性以及較低的熱散失引起了越來越多的關注。此外，碳材料在寬波長范圍中良好的耐光性以及生物降解性、低毒性等特點，有利于未來的科技轉化。不同形式的碳，如碳納米管、石墨烯基氣凝膠以及石墨剝層等已成功開發為太陽能吸收材料。然而，碳納米結構往往容易在水溶液中團聚，且由于動態流體壓力和體積變化其結構難以保持，限制了材料的重復利用。

【成果簡介】

近日，新加坡國立大學Ghim Wei Ho教授(通訊作者)等報道了一種廉價的多孔碳海綿(CS)，其寬光譜吸收和內在的結構特點使得材料能夠進行局部單獨加熱原位光熱蒸發，并在Adv. Energy Mater.上發表了題為“Self-Contained Monolithic Carbon Sponges for Solar-Driven Interfacial Water Evaporation Distillation and Electricity Generation”的研究論文。將水局限于持續熱點以及適應周期性動態流體流量可變壓力是彈性多孔海綿的決定性優勢。通過隔離大體積的水，太陽能-蒸汽轉換效率增加了2.5倍，超越傳統的批量加熱。值得注意的是，可以收獲太陽能蒸汽誘導產生的電能進而利用太陽能蒸發的余熱。上述太陽能蒸餾和余熱產電功能在偏遠地區或緊急需要下的即時電力和淡水生產具有潛在應用。

【圖文簡介】

圖1 多孔碳海綿(CS)的形貌

a) 一片CS的數碼照片；

b) 放置于氣球上的CS數碼照片；

c) CS的SEM圖像(內插：CS纖維的橫斷面圖像)；

d) CS 的N 1s XPS譜圖；

e) CS結構示意圖；

f) CS的透射和反射光譜；

g) CS的AFM圖像。

圖2 多孔碳海綿(CS)的光熱蒸發性能

a) CS25傳導紅墨水的數碼照片；

b) 手指彎曲CS25的數碼照片；

c) 太陽能蒸汽產生示意圖；

d) CS25在水-空氣界面存在與否的情況下光照30 min(光密度：1 kW·m^-2)的溫度曲線；

e) 不同CS樣品蒸發速率(光密度：1 kW·m^-2)；

f) 不同CS樣品表面溫度隨時間變化(光密度：1 kW·m^-2)；

g) CS25蒸汽產生的穩定性和重復利用性。

圖3 多孔碳海綿(CS)在不同條件下的光熱蒸發性能

a-d) CS在下沉、懸浮、漂浮、鎖水等四種模式下的示意圖；

e) CS在下沉、懸浮、漂浮模式下的蒸發質量損失隨時間變化；

f) 紅外圖像中標記直線的溫度曲線；

g) CS的蒸發質量損失曲線；

h-k) CS在四種模式光照30 min后的紅外圖像。

圖4 多孔碳海綿(CS)的余熱生電效應

a) CS25余熱生電效應示意圖；

b) PVDF薄膜表面溫度起伏；

c) 蒸發過程中PVDF薄膜壓/熱-電轉換產生的電流；

d) 蒸發過程中PVDF薄膜壓/熱-電轉換產生的電壓。

圖5 多孔碳海綿(CS)光熱蒸發的應用實例

a,b) 30 min太陽光照后蒸餾裝置的照片和紅外圖像；

c) 太陽強度光譜、蒸發質量散失、CS 表面溫度變化以及環境空氣溫度同步變化曲線；

d,e) 太陽能蒸餾裝置示意圖；

f-g) 金字塔太陽能蒸餾裝置數碼照片。

【小結】

研究人員采用可伸縮的3D彈性富氮多孔碳海綿(CS)進行了高效原位間接光熱蒸發。獨立的CS可作為真正的局部太陽能熱蒸發海綿，避免了過多的熱量損失，提高了蒸發效率。值得注意的是，獨立的CS也具有太陽能蒸汽誘導生電。研究人員還使用簡單的模型演示了室外條件下局部光熱蒸發。這項工作表明具有成本效益的CS可用于補充現有的太陽能海水淡化技術。

文獻鏈接： Self-Contained Monolithic Carbon Sponges for Solar-Driven Interfacial Water Evaporation Distillation and Electricity Generation?(Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201702149)

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