哈爾濱工業大學（深圳）鄧大祥課題組Nano Energy：多尺度CuS-rGO金字塔光熱結構實現高性能太陽能同步界面水蒸發和溫差發電

【研究背景】

太陽能驅動界面水蒸發技術利用光熱效應吸收太陽能，實現高效海水淡化，具有高效率、低成本和節能環保等優點，應用前景廣泛。在太陽能界面水蒸發基礎上，可制成新型同步蒸發溫差發電系統（IWETPGS），同時實現海水淡化和電能輸出，進一步提高太陽能利用效率。然而，目前同步蒸發溫差發電系統光熱結構普遍為二維結構，光熱材料單一，光熱轉換效率有限，且光熱結構內部輸水通道毛細壓力有限，難以滿足自發供水需求。因此，同時考慮光熱管理和水輸運，提出水熱平衡的新型光熱結構對于提升同步蒸發溫差發電系統的海水淡化和產電性能至關重要。

為此，哈爾濱工業大學（深圳）鄧大祥教授課題組從提高光熱轉換能力和水輸運角度出發，研制了一種基于CuS-rGO復合材料的多尺度金字塔光熱結構，以期提升同步蒸發溫差發電系統水蒸發速率和發電效率。該新型多尺度金字塔光熱結構，包括毫米尺度的三維金字塔陣列結構、微尺度的梯度多孔銅泡沫、微/納尺度CuS納米線和還原氧化石墨烯（rGO）復合光熱材料。其中金字塔陣列結構可以促進光線的多次反射和吸收，同時具有更大的蒸發面積；CuS-rGO復合光熱材料具有rGO的寬光譜吸收能力和CuS的適中的帶隙能級、高光吸收特性的優點，展現了超高的光熱轉換效率；梯度多孔金屬泡沫結構加快了水輸運，頂部的小孔隙提供了更大的毛細壓力保證海水的輸運高度和持續供應能力；底部的大孔隙降低了海水的流動阻力，保證了海水的供應量以及促進鹽分的自遷移溶解。此外，將多尺度光熱結構與溫差發電片（TEG）結合，實現同步蒸發和溫差發電；并利用高效微通道強化溫差發電片冷端散熱能力，實現高效熱管理，顯著提升了發電性能。

相關內容以“Multi-scale CuS-rGO pyramidal photothermal structure for Highly Efficient Solar-Driven Water Evaporation and Thermoelectric Power Generation”為題在國際能源領域著名期刊《Nano Energy》(中科院一區TOP，IF= 17.6) 上發表。文章唯一通訊作者為哈爾濱工業大學（深圳）鄧大祥教授，第一作者為哈爾濱工業大學（深圳）/新加坡南洋理工大學聯合培養博士生曾龍。

【圖文速覽】

圖1基于多尺度CuS-rGO金字塔光熱結構的同步蒸發溫差發電系統示意圖。該三維金字塔結構由微尺度梯度多孔銅泡沫和微/納米尺度CuS-rGO復合材料組成。其中，三維金字塔促進了光的捕獲和吸收，梯度多孔金屬泡沫加速了水輸運。微納米尺度的CuS-rGO復合光熱材料結合了rGO碳材料的寬光譜吸收能力和CuS半導體材料適中的帶隙能級、高光吸收特性。

圖2?CuS-rGO復合光熱材料的制備與表征：a)CuS-rGO復合光熱材料的制備示意圖；b)CuS-rGO復合光熱材料掃描電鏡圖；c)CuS納米線和rGO的TEM圖；d)GO和rGO的拉曼圖譜圖；e)GO和rGO的傅立葉變換紅外圖譜；f)CF、rGO/CF、CuS/CF、CuS-rGO/CF的XRD圖譜。

圖3多尺度CuS-rGO金字塔光熱結構的光熱轉換性能。a)CF、rGO/CF、CuS/CF、CuS-rGO/CF光熱材料的透射率和反射率；b)CF和CuS-rGO/CF光熱材料的光反射和透射示意圖；c)CF、rGO/CF、CuS/CF、CuS-rGO/CF光熱材料的吸收率；d)CF、rGO/CF、CuS/CF、CuS-rGO/CF光熱材料在光熱轉換過程中的溫度變化；e)CuS-rGO/CF復合光熱材料的光熱轉換機理示意圖。

圖4多尺度CuS-rGO金字塔光熱結構的太陽能水蒸發性能。a)CuS-rGO金字塔光熱結構的光熱水蒸發過程示意圖；b)CF和CuS-rGO/CF金字塔光熱結構蒸發過程的溫度分布仿真結果；c)基于不同光熱材料的8×8陣列金字塔光熱結構在一個光強下的水蒸發量；d)不同金字塔陣列的CuS-rGO光熱結構在一個光強下的水蒸發量；e)不同金字塔陣列（平面、4×4陣列、6×6陣列和8×8陣列）的CuS-rGO光熱結構的光捕獲示意圖，"N"表示反射次數；f)光照1小時后不同金字塔陣列的CuS-rGO光熱結構的溫度分布；g)不同孔分布的CuS-rGO金字塔光熱結構在一個光強下的水蒸發量；h)在1-4個光強下CuS-rGO金字塔光熱結構的蒸發率；i)CuS-rGO金字塔光熱結構的循環蒸發性能。

圖5多尺度CuS-rGO金字塔光熱結構的熱發電性能。a)1-4個標準太陽光強下溫差發電片兩端溫度差隨時間變化情況；b)1-4個標準太陽光強下溫差發電片輸出功率隨時間變化情況；c)不同冷卻方式下同步蒸發溫差發電系統（IWETPGS）的示意圖；d)翅片冷卻和微通道冷卻下IWETPGS的輸出功率對比；e)不同太陽光強和冷卻水溫度下同步蒸發溫差發電系統的最大輸出功率；f)IWETPGS驅動風扇的旋轉；g)1個和4個標準太陽光強下IWETPGS溫差穩定性能；h) 1個和4個標準太陽光強下IWETPGS輸出功率的穩定性能；i)CuS-rGO金字塔光熱結構與近年來報道=其他光熱結構的的水蒸發率和輸出功率對比。

圖6太陽能驅動水電聯產室外實驗。a)室外太陽能驅動水電聯產實驗裝置照片；b)一天內太陽輻照度、空氣濕度和空氣溫度的變化情況；c)系統輸出功率、電流和電壓的變化；d)蒸發前海水和蒸發后淡水離子濃度的變化。

【文章總結】

本文從提高光熱轉換能力和水輸運角度出發，提出并制備了基于CuS-rGO復合材料的多尺度金字塔光熱結構，實現了同步蒸發溫差發電系統水蒸發速率和發電效率的提升，為太陽能高效水電聯產提供了新的方式。

1、CuS-rGO金字塔光熱結構可以促進光線的多次反射和吸收、具有rGO的寬光譜吸收能力和CuS的適中帶隙能級、高光吸收特性的優點，展現了超高的光熱轉換效率，高達97.6%。

2、梯度多孔金屬泡沫加快了水輸運，頂部的小孔隙提供了更大的毛細壓力保證海水的輸運高度和持續供應能力；底部的大孔隙降低了海水的流動阻力，保證了海水的供應量以及促進鹽分的自遷移溶解。

3、將多尺度光熱結構與溫差發電片（TEG）結合，實現了同步水蒸發和熱發電。并利用高效微通道強化溫差發電片冷端散熱能力，實現高效熱管理，顯著提升了發電性能。在一個標準太陽光強下，該同步蒸發溫差發電系統蒸發速率達到了2.29kg/m²h，最大輸出功率也高達1.32W/m²，處于行業領先水平。

4、通過搭建自動追蹤戶外水電聯產原型機，實現了太陽能水電聯產，平均日產水量為12.1kg/m²，最大發電量為5.55W/m²，為偏遠地區的淡水和電力同時供應提供了可行的方式。

【研究團隊】

鄧大祥教授

通訊作者鄧大祥，哈爾濱工業大學深圳校區機電工程與自動化學院教授、博導。主要從事功能微結構與器件制造、微細切削與特種加工、太陽能海水淡化、高效散熱冷卻等研究。愛思唯爾中國高被引學者、廣東省杰青獲得者。主持國家部委、國家自然科學基金（3項）等國家、省部級項目10多項，參與國自然-廣東省聯合基金重點等項目多項。獲全國上銀優秀機械博士論文（銅獎）、中國刀協切削研究會青年新秀獎、省、市優秀學術論文獎等獎勵。兼任中國機械工程學會生產工程分會、極端制造分會專委會委員，擔任3本國際SCI期刊專題編輯，多次受邀擔任ASME國際權威會議分會主席。在Int.?J.?Mech.?Sci.、J.?Mat. Process.?Tech.、Nano Energy、Int. J. Heat Mass Transfer等發表SCI論文近70篇，SCI他引2000多次，H因子28，授權專利40余項，第一發明人授權發明專利20項。更多介紹：http://faculty.hitsz.edu.cn/dengdaxiang

曾龍

第一作者曾龍，哈爾濱工業大學（深圳）機電工程與自動化學院在讀博士生，新加坡南洋理工大學聯合培養博士生。主要從事太陽能海水淡化、光熱界面蒸發結構設計與制造、強化傳熱等方面研究。博士期間已以一作或除導師外一作發表SCI 論文5篇（均為中科院一區/二區Top期刊），EI論文一篇。

【文獻來源】

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109531

引用：Long?Zeng, Daxiang Deng*, Linye Zhu, Zhenkun Zhang, Xin Gu, Huiming Wang, Yujie Jiang. Multi-scale CuS-rGO pyramidal photothermal structure for Highly Efficient Solar-Driven Water Evaporation and Thermoelectric Power Generation. Nano Energy 125 (2024) 109531.