重慶大學Carbon：基于窄帶隙半導體納米顆粒修飾多級碳結構的新型太陽能熱蒸發裝置

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共同第一作者：耿陽，張可榛；

通訊作者：李猛，孫皖，孫寬；

通訊單位：重慶大學能源與動力工程學院

課題組：柔性能源材料與器件研究組（La FREMD）

論文DOI：10.1016/j.carbon.2019.08.055

課題組網站：https://www.x-mol.com/groups/LaFREMD

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本研究設計了一種基于窄帶隙半導體納米顆粒修飾多級碳結構的低成本，易攜帶，高效率的新型太陽能熱蒸發裝置，可有效應用于海水淡化領域。通過構造窄帶隙半導體納米顆粒修飾由碳納米線陣列生長的碳氈構成的多級碳結構復合材料，提高其比表面積，增強光吸收能力，作為太陽能熱轉化材料在1?SUN的光照下展示出極高的能量轉化效率（~91%）和優秀的蒸發速率1.316 kg?m^-2?h^-1，其優異的體積蒸發率也大大提高了便攜性與成本效率；并且該材料與低熱導率的聚乙烯泡沫（內嵌1維水通道）構成雙層結構能有效減少熱損失，優化熱管理。本研究還首次使用模擬方法定量探究了水輸運在界面光熱系統中與一維水通道的孔隙率關系，為精確控制水輸運提供了依據。

背景介紹

隨著人口問題和環境污染問題的日益嚴峻，淡水短缺成為世界各國面臨的重要難題。近幾年來，太陽能驅動的界面蒸汽發生技術由于其低碳環保，不需要額外能源輸入等特性，引起了廣泛的關注，為清潔水生產開辟了一條節能新途徑。迄今為止，許多工作研究了不同類型的太陽能熱轉換材料如等離激元納米金屬材料、碳材料和半導體等，致力于提高材料的能量轉化效率和降低能量損失。然而，太陽能熱轉化材料的成本控制和材料便攜性仍是其進一步實際應用面臨的挑戰。太陽能熱轉化材料的體積蒸發效率是評價其便攜性與成本效率的重要指標，更高的體積蒸發效率意味著材料更輕薄、更緊實、更適用于便攜的移動裝置，但是在絕大部分工作中，體積蒸發效率卻鮮有提及。此外，在界面蒸汽發生系統中一維水通道中的水輸運對蒸發速率的定量影響仍不夠明確，需要進一步研究。

研究出發點

有鑒于此，重慶大學柔性能源材料與器件研究組的李猛副教授在光熱轉化領域創新提出體積蒸發速率的概念。在重慶大學-新加坡國立大學新能源材料與器件聯合實驗室的平臺支持下，研究組將碳基材料與半導體材料相結合，通過電化學沉積與碳化的方法在碳氈上生長碳納米線構筑多級碳結構，并選擇窄帶隙（0.1 eV）半導體納米顆粒對其進行修飾，進一步提升能量轉化效率。對該太陽能熱轉化材料的能量轉換效率，體積蒸發速率等方面進行研究。課題組與重慶大學能源與動力工程學院孫皖博士合作，使用模擬計算的研究方法探究了界面光熱蒸汽發生系統中一維水通道的水輸運與蒸發速率的關系。

圖文解析

圖1.?材料制備工藝及太陽熱轉化機理。

作者首先說明了設計材料的制備工藝及太陽熱轉化機理如圖一。由于半導體的帶隙小(0.1 eV)，受光后產生大量激發的電子空穴對，隨后以熱(聲子)的形式通過非輻射弛豫過程釋放能量。類似地，碳基材料(CA/CF)中的太陽能吸收涉及電子的激發及其隨后的弛豫。作者通過兩步法制備復合材料：（1）通過電沉積和灼燒在碳氈上形成碳納米線陣列得到多級碳結構（CA/CF）；（2）通過水熱法在CA/CF上生長半導體納米顆粒。

圖2. (a)蒸發系統在1 kW m^-2太陽照射下的質量隨時間的變化；(b)不同光強下的效率；(c)不同厚度的材料面積蒸發速率(左側軸)和相應的體積蒸發速率(右側軸)；(d)?制備材料體積性能與以往在1 SUN下的報告中材料體積性能對比；(e)隔熱層裝置和直接接觸裝置的紅外照片，從左到右顯示了照射前后30 min的溫度分布；(F)隔離配置裝置和直接接觸配置裝置的質量變化。

如圖2所示，所設計材料具有優異的太陽能熱轉化性能，蒸發速率與純水相比提高了5倍，并且在不同的太陽輻照下能量轉化效率能保持穩定。值得注意的是，相較于以往的工作本研究中設計材料的體積蒸發率有較明顯的優勢，展示出輕薄、便攜的特點，有利于材料進一步投入到實際應用中。

圖3. 太陽蒸汽發生器性能的數值計算。(a)太陽蒸汽發生器的數學模型。該模型包括兩個主要部分：水的輸送和水的蒸發。輸運過程和蒸發過程分別服從動量守恒和能量守恒。(b)在不同太陽照度(0.5、0.75、1.0、1.25 SUN)下，一維水通道的計算蒸發率與孔隙率之間的關系。(c) 1 SUN照射下碳氈的蒸發率和輸運率與孔隙率的計算值。紅線和綠色三角形符號分別表示直接接觸/隔熱層裝置的蒸發速率。

實際上在隔熱層裝置系統中除了隔熱層外，還有許多影響蒸發性能的關鍵因素，如一維水通道的孔結構。如圖3所示，作者對系統構建數學模型，通過模擬計算定量探究了一維水通道的水運輸，蒸發速率與空隙率間的關系，提出了水通道的最佳孔隙率范圍（0.3–0.73），為后續工作中精確控制水輸運提高蒸發速率提供理論依據。

總結

在本工作中，作者報告了一種基于窄帶隙半導體納米顆粒修飾多級碳結構的低成本，易攜帶，高效率的新型太陽能熱轉化材料應用于太陽能海水淡化。所設計的窄帶隙半導體修飾的多級碳結構材料太陽光吸收率可達99%。在1?SUN光強的太陽照射下，水蒸發速率為1.316 kg m^-2?h^-1，能量轉化效率高達91.0%，是純水(0.23 kg m^-2?h^-1)的6倍。更重要的是，其體積蒸發速率高達658 kg m^-3?h^-1顯示出其便攜性和成本效益的優勢。此外，模擬計算定量地揭示了隔熱層裝置下一維水路孔隙率與蒸發效率之間的關系。在1 SUN光強照射下，孔隙度在0.3~0.73范圍內，蒸發速率可達到穩定的最大值。可見，所設計材料具有低材料成本、寬光譜吸收、高太陽熱轉換效率和良好的便攜性等特性，是太陽能蒸汽發生系統中太陽能熱轉化材料的理想選擇之一。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.08.055

本文由重慶大學柔性能源材料與器件研究組供稿。

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