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北京化工大學(xué)汪曉東教授團(tuán)隊(duì) AFM：基于相變材料的3D太陽(yáng)能蒸發(fā)器促進(jìn)高效可持續(xù)海水淡化和清潔電力產(chǎn)生

2024-03-07 來(lái)源：高分子科技

關(guān)鍵詞：相變材料 3D界面蒸發(fā)器太陽(yáng)能蒸發(fā)器海水淡化

太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的界面蒸發(fā)系統(tǒng)可以將太陽(yáng)能吸收并轉(zhuǎn)化為熱量，用于海水淡化和凈化，其被認(rèn)為是目前全球緩解淡水短缺最有前途的方法之一。除了實(shí)現(xiàn)水清潔之外，太陽(yáng)能蒸發(fā)系統(tǒng)還與能量流有關(guān)。在蒸發(fā)過(guò)程中，因水的定向流動(dòng)，誘導(dǎo)了密閉區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定的水合離子的定向遷移，產(chǎn)生平面內(nèi)電位差。如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效海水淡化和蒸發(fā)發(fā)電是界面蒸發(fā)領(lǐng)域重大挑戰(zhàn)之一。

圖1 3D太陽(yáng)能蒸發(fā)器用于輸出電壓和水蒸發(fā)

近期，北京化工大學(xué)汪曉東教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種分級(jí)結(jié)構(gòu)的3D太陽(yáng)能蒸發(fā)器（圖1），通過(guò)將石蠟型相變材料與覆蓋有碳黑納米顆粒修飾的聚（對(duì)苯二甲酸乙烯酯）織物集成在經(jīng)3D打印的碗狀3D支撐材料中（圖2a），同時(shí)實(shí)現(xiàn)了蒸發(fā)系統(tǒng)的高輸出電壓和水蒸發(fā)速率。相比與傳統(tǒng)的2D蒸發(fā)器，3D蒸發(fā)器利用光在其內(nèi)部的多重反射（圖2b-c），能更有效地吸收和轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能為熱能，極大提升了水蒸發(fā)能力（圖2d）。自然光光照下的測(cè)試結(jié)果顯示，3D蒸發(fā)器獲得了3.51 V最大輸出電壓和4.0 kg m^?² h^?¹的高蒸發(fā)速率（圖4a-c）。相變材料的引入，可實(shí)現(xiàn)對(duì)耗散熱量的管理，極大提升了蒸發(fā)器的蒸發(fā)性能和輸出電壓。與不含相變材料的蒸發(fā)器相比，3D蒸發(fā)器對(duì)電容器的充電時(shí)間減少了57.9%，淡水收集量增加了29.9%（圖4d-f）。通過(guò)利用相變材料實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)熱能的合理利用，創(chuàng)新性地將相變材料與光熱材料集成在3D界面蒸發(fā)系統(tǒng)中，為3D界面蒸發(fā)器在間歇性太陽(yáng)光輻射下同時(shí)高效發(fā)電和水蒸發(fā)領(lǐng)域提供了一種新的策略。該工作以“Phase Change Material Boosting Electricity Output and Freshwater Production through Hierarchical-Structured 3D Solar Evaporator”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》。文章的第一作者為北京化工大學(xué)材料學(xué)院碩士生李文成，通訊作者為劉歡副教授和汪曉東教授。該研究得到了北京市自然科學(xué)基金和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

圖2 3D界面蒸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖和性能

圖3 3D界面蒸發(fā)器在自然光光照下輸出電壓和水蒸發(fā)性能

該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于相變材料在海水淡化和蒸發(fā)發(fā)電領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展。間歇性太陽(yáng)光光照所導(dǎo)致的界面蒸發(fā)器的蒸發(fā)性能急劇下降是困擾本領(lǐng)域的難題之一。為此，團(tuán)隊(duì)通過(guò)將相變材料與界面蒸發(fā)相結(jié)合，利用相變材料優(yōu)異的儲(chǔ)能放熱能力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)熱能的有效儲(chǔ)存和可控釋放，為本領(lǐng)域的研究提供了一種可靠的研究思路。在過(guò)去兩年中，團(tuán)隊(duì)制備了一系列具有優(yōu)異光熱吸收和儲(chǔ)熱能力的多層級(jí)相變微膠囊（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022, 14, 50966-50981；J. Mater. Chem. A, 2022, 10, 25509; Chem. Eng. J., 2023, 458, 141395; Desalination, 2023, 562, 116713），為相變材料在界面蒸發(fā)領(lǐng)域的發(fā)展做出了大量探索。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202316504

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（責(zé)任編輯：xu）

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