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                Nano Energy:高生物安全性墨魚汁基太陽能吸收器的工程性水運輸調控, 可顯著增強氣液界面蒸發效率
                2020-05-02  來源:高分子科技

                  蒸發是自然界中非常重要的一種現象且廣泛應用于各種生產和生活的過程中,比如蒸汽殺菌,蒸汽發電,海水淡化等。2014年以來,界面蒸發憑借“熱局域化”特點對太陽能熱實現了高效利用,引起了研究人員的廣泛探索與研究。然而,目前太陽能驅動界面蒸發的研究更多關注于材料吸收率提升對于海水淡化效率的影響,對于氣液界面蒸發過程中水運輸控制的關注較少。


                  研究人員提出一種新的組裝方法“旋轉-填充”,將商業化的三聚氰胺泡沫(骨架支撐作用),二氧化硅納米粒子(水的運輸調節,增加機械強度),以及墨魚汁納米粒子(光吸收劑)巧妙的組合成一種生物安全性高,機械輕度大,自漂浮時間長的墨魚汁基太陽能驅動界面蒸發器件。


                圖1 蒸發器件具有不同水運輸能力的性能表現:超親水的設計(左),水運輸控制的設計(右)


                  通過疏水二氧化硅納米粒子填充所形成的水運輸調控的設計,墨魚汁基蒸發器件在維持最大蒸發量的同時,實現超過90%水運輸量的控制效率。在1倍太陽光照射下,其氣液蒸發效率可達到85.8%。通過實驗以及COMSOL模擬可知,水運輸控制和超親水設計相比存在以下優點(圖1):1. 適量的水進入吸收器內部可以有效避免吸收體熱傳導率的大幅度增加,從而利于“熱局域化”狀態穩定快速的形成。2. 蒸發器內適量水的存在,可有效避免吸收體內部過量水的蒸發顯熱對于熱量的耗損,從而提高太陽能熱利用效率。3. 通過水運輸調控,蒸發器邊緣由于沒有大量的水冷卻,形成了額外的蒸發區域(實驗中通過計算可知,這一區域的蒸發效率約4.8%)。4. 水運輸控制,可以減少熱量對額外水的加熱,極大縮短了墨魚汁太陽能蒸發器的蒸發速率響應時間,這一特性有利于蒸發器件在多云天氣使用。


                圖2.(a)在1倍太陽光輻照下,不同鹽度海水的質量隨時間的變化(b)墨魚汁納米粒子的生物安全性實驗:不同濃度的黑色素納米顆粒的細胞活性測試(c)和(d)在細胞活性實驗中空白組和墨魚汁納米顆粒組在24小時變化(e)戶外實驗光照強度變化,2019-10-24,舟山,中國(f)實驗前CMF的紅外熱像儀照片(直徑10.25cm),時間2019-10-24,14:30(g)在自然陽光下,樣品直徑為4.25厘米(上)和10.25厘米(下部)的光學照片及紅外相機照片,時間2019-10-25,10:30至11:30(h)東海海水脫鹽前后元素變化情況的直方圖,紅色線表示WHO規定的飲用水中相應元素含量的最大值。


                  此外,研究人員將該墨魚汁蒸發器件應用于不同濃度的模擬海水和東海海水的淡化實驗(圖2)。通過實驗可知,獲得的淡化水質符合WHO的飲用水標準。此外,研究人員考察了該材料的生物安全性進行,以避免其在實際應用中對人體或者海洋生物造成化學傷害。如預期所料,在不同濃度細胞活性實驗中,觀察到的IC50大于100mg/ml,具有低的毒性和良好的生物適應性。


                  上述工作近期以“Engineering controllable water transport of biosafety cuttlefish juice solar absorber toward remarkably enhanced solar-driven gas-liquid interfacial evaporation”[1]為題發表在國際知名期刊Nano Energy,該論文第一作者為陜西科技大學碩士研究生李政通,共同第一作者為浙江海洋大學碩士研究生張靜,陜西科技大學王成兵教授和浙江海洋大學周英棠教授為論文共同通訊作者。該工作受到國家自然基金項目,舟山科技項目, 舟山市普陀區環境專項項目等支持。


                  陜西科技大學王成兵教授團隊近幾年一直探索生物質材料應用于界面蒸發的差異化研究,并且獲得了行業內外研究人員廣泛的關注與認可。


                  在Advanced Materials系列子刊Solar RRL發表界面蒸發以生物質相關性為分類標準在材料,結構以及應用方面的前沿進展報告[2],該論文入選最新一期ESI高被引論文


                  在Advanced Sustainable Systems發表竹子碳基材料應用于界面蒸發[3],利用竹子天然拱形結構于蒸發界面所形成的空氣間隔,空氣具備較低的熱傳導效率,可以極大減少在蒸發過程中熱傳導損失,該論文受媒體Materials Views China邀請作亮點報道。


                  在Energy Technology發表了面粉基碳材料應用于界面蒸發[4],受到中國傳統工藝“捏泥人”技藝的啟發,面粉基碳材料可以制備出多種結構的蒸發器件,如拱形,傘形,空心圓柱,實心圓柱,半球形等典型且高效的蒸發結構,研究人員從系統層次考察同種材料不同堆積方式在界面蒸發過程中能量耗損,充分說明整體的蒸發器件由于存在較低的熱阻,對太陽能熱的利用更加充分,為界面蒸發器件實際化應用提供了重要參考,該論文被遴選為當期內封面。


                  在Journal of Materials Chemistry A發表土豆碳基材料應用于界面蒸發[5],研究人員發現土豆碳化后形成的多孔碳泡沫具有非常優異的潤濕性,可以在氣液界面形成高速水運輸通道,基于此提出了一種新的界面蒸發抗鹽策略。該論文被編輯部選為該雜志的熱點論文,同時被選為封面論文。


                參考文獻:

                [1] Zhengtong Li, Jing Zhang, Shaohong Zang, Chao Yang, Hua Jin, Fei Jin, Yang Liu, Jiankun Hu, Chengbing Wang*, Yingtang Zhou*, Engineering controllable water transport of biosafety cuttlefish juice solar absorber toward remarkably enhanced solar-driven gas-liquid interfacial evaporation, Nano Energy (2020), DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104834.

                [2] Zhengtong Li, Chengbing Wang*, Jinbu Su, San Ling, Wei Wang, Meng An*, Fast-growing field of interfacial solar steam generation: evolutional materials, engineered architectures, and synergistic applications, Solar RRL 3 (2019) 1800206.

                [3] Zhengtong Li, Chengbing Wang*, Tao Lei, Hailin Ma, Jinbu Su, San Ling, Wei Wang, Arched bamboo charcoal as interfacial solar steam generation integrative device with enhanced water purification capacity, Advanced Sustainable Systems 3 (2019) 1800144

                [4] Zhengtong Li, Chengbing Wang*, Zeyu Li, Lin Deng, Jinbu Su, Jin Shi, Meng An*, Efficient interfacial solar steam generator with controlled macromorphology derived from flour via "dough figurine" technology, Energy Technology 7 (2019) 1980344.

                [5] Chengbing Wang*, Jiulong Wang, Zhengtong Li, Keyuan Xu, Weike Wang*, Superhydrophilic porous carbon foam as self-desalting monolithic solar steam generation device with extremely high energy efficiency, Journal of Materials Chemistry A (2020), DOI: 10.1039/D0TA01439G.


                  論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285520303918

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