馬里蘭大學胡良兵Adv. Funct. Mater.：高效的介孔木質太陽能蒸汽發生裝置

Meadow 6年前 (2018-02-28) 7759瀏覽

【引言】

淡水短缺即將成為全球范圍內的重大挑戰，太陽能的豐富性使得太陽能蒸汽發電成為海水淡化和水凈化最有前途的技術之一。為了提高太陽能蒸汽發電的性能，考慮到三個主要因素，包括太陽能接收效率、熱管理功能以及流體的輸送和蒸發。先前演示的具有高蒸汽發生效率的太陽能蒸汽裝置通常需要復雜的制造工藝和高材料成本，限制了其廣泛應用。為了大規模的進行水處理，需要繼續尋求經濟高效的解決方案。

【成果簡介】

近日，美國馬里蘭大學胡良兵教授（通訊作者）等人于2018年2月21日發表在期刊Advanced Functional Materials上發表了研究成果“Scalable and Highly Efficient Mesoporous Wood-Based Solar Steam Generation Device: Localized Heat, Rapid Water Transport”。太陽能蒸汽發生裝置的設計是通過納米級通道在木材中進行跨平面水輸送，熱傳輸方向被解耦以減少傳導熱損失。在1 個太陽下達到80％的高蒸汽發電效率，在10個太陽下實現89％的高蒸汽發電效率。垂直于介孔木材的交叉板可以通過凹洞和螺旋提供快速的水輸送。纖維素納米纖維在凹洞周圍呈圓形分布，并沿著螺旋高度對齊以將水穿過內腔。同時，利用介孔木材的各向異性導熱，可以提供比超絕熱聚苯乙烯泡沫塑料（≈0.03W m^-1 K^-1）更好的絕緣性能。木材在橫向方向呈現出0.11 W m^-1 K^-1的熱導率。太陽能蒸汽發生裝置在太陽能輻照度下具有成本效益和大規模應用的前景。

【圖文解讀】

圖1太陽能發電設備示意圖

a）可擴展器件制造過程的示意圖；

b）介孔木材的SEM圖像；

c）石墨涂覆木材的太陽能蒸汽產生機理。

圖2 木質管腔的SEM圖像

a）排列的木質管腔的SEM圖像；

b）管腔壁上的凹洞和螺旋的SEM圖像，有利于水的交叉傳輸；

c）木質管腔上分布的微小的洞和螺旋；

d）納米纖維在凹洞周圍以圓形方式分布，并沿著螺旋高度對齊以將水穿過內腔；

e）隨著時間的流動高度，前10秒內流速約為0.5毫米/秒。插圖：木材橫向的流體運輸；

f）三維介孔椴木結構中管腔的水流運動軌跡，以速度大小著色。

圖3 石墨木材和未涂布木材的對照實驗

a）木材上涂覆石墨的SEM圖像表明涂層厚度為約50μm；

b）石墨木材太陽能蒸汽發生裝置的照片；

c）干木材沿著管腔方向的熱導率。由于纖維素纖維之間存在邊界，橫向平面可以大大減緩熱流動；

d）預浸木材的導熱性；

e）干燥木材中交叉平面運輸和平面運輸的溫度分布圖；

f）石墨涂布的木材和未涂布的木材樣品之間的吸光度比較；

g）石墨和木材的熱容量；

h）石墨木材和未涂布木材的溫度分布。

圖4 垂直切割的木材與聚苯乙烯泡沫塑料的導熱性對比實驗

a）當頂面通過導熱膏與傳導熱源直接接觸時，測量背面溫度。聚苯乙烯泡沫塑料表現出低至0.03 Wm^-1 K^-1的各向同性導熱率，而垂直切割的木材在圖中所示的兩個方向上呈現0.11 W m^-1 K^-1和0.35 W m^-1 K^-1的各向異性熱導率；

b）由于各向異性的導熱性，垂直切割木材的熱電偶側的溫度低于另一側相同熱源下的聚苯乙烯泡沫塑料的溫度。

圖5 不同的太陽因素下的相關實驗

a）將樣品切成正方形并放置在類似寬度和長度的容器中，以便在測試時最小化水表面的蒸發；

b）1 個太陽條件下石墨木材的原位溫度變化；

c）1 個太陽條件下的蒸發率；

d）1個太陽條件下的表面溫度；

e）1個太陽條件下石墨涂覆木材的循環性能；

f）變化的太陽因素下穩定的蒸發速率；

g）變化的太陽因素下穩定的表面溫度；

h）不同的太陽因素下相應的效率。

【小結】

研究展示了一種高效、可擴展的太陽能蒸汽發生裝置，該裝置由噴涂石墨的介孔椴木塊組成。研究首次將流體輸送方向和熱傳遞方向分開。利用介孔木材的各向異性導熱系數進一步提高了水分蒸發界面的溫度，減少了大量水分的傳導熱損失。石墨層在300至2000納米波長的光下表現出> 95％的寬帶吸光率，可以在蒸汽生成界面處將光能轉換為熱能。由于木質基體的低導熱性，轉換后的熱能被限制在石墨層的薄層內。該裝置在一個太陽條件下，其蒸發速率為1.15 kg m^-2 h^-1，水蒸氣界面溫度為38°C，效率為80％左右。在具有放大能力的生物材料系統中，轉換效率更高。太陽能蒸汽發生裝置具有高成本效益，在海水淡化和廢水處理等方面具有實際的應用前景。

文獻鏈接：Scalable and Highly Efficient Mesoporous Wood-Based Solar Steam Generation Device: Localized Heat, Rapid Water Transport （Adv. Funct. Mater.，2018，DOI: 10.1002/adfm.201707134）

團隊介紹：胡良兵老師的團隊廣泛利用木頭做能源領域的應用，包括：透明木頭、超強木頭, 以及最近發表的用木頭做太陽能蒸汽的應用等等。

【相關優質文獻推薦】

透明木頭：

Highly Anisotropic, Highly Transparent Wood Composites （Adv. Mater.，2016，DOI: 10.1002/adma.201600427）

Wood Composite as an Energy Efficient Building Material: Guided Sunlight Transmittance and Effective Thermal Insulation（Adv. Energy Mater. ，2016，DOI: 10.1002/aenm.201601122）

Building materials: Transparent wood（Nat. Energy，2016，doi:10.1038/nenergy.2016.164）

超強木頭：

Processing bulk natural wood into a high-performance structural material（Nature，2018，doi:10.1038/nature25476）

太陽能蒸汽:

Scalable and Highly Efficient Mesoporous Wood-Based Solar Steam Generation Device: Localized Heat, Rapid Water Transport（Adv. Funct. Mater.，2018，DOI: 10.1002/adfm.201707134）

Plasmonic Wood for High-Efficiency Solar Steam Generation（Adv. Energy Mater.，2017，DOI: 10.1002/aenm.201701028）