技術(shù)文章
Technical articles作為最。有。效的水凈化方法之一,太陽能凈化水已獲眾多研究學(xué)者的關(guān)注。一方面,利用太陽能凈化水非常環(huán)保,另一方面,該工藝所需的設(shè)備安裝和操作要求相對較低。為了提高太陽能凈化水的效率,已有學(xué)者提出了幾種凈化方法,如預(yù)熱法、夜間加熱法和附加熱源法,帶有黑色吸收片(BAS)的增強(qiáng)型太陽能蒸餾法(SSG)就是其中的一種方法。但SSG蒸發(fā)只發(fā)生在水-氣界面,如何增加加熱過程中界面面積成了提高SSG效率的關(guān)鍵。此外,BAS材料本身的性能也是SSG的速率的重要影響因素。
大量研究發(fā)現(xiàn),微尺寸多孔結(jié)構(gòu)BAS可以提高SSG的蒸發(fā)速率:一方面,這種結(jié)構(gòu)大大增加了水-氣界面;另一方面,BAS自身具有高吸收率和良好的隔熱性能,這既能夠減少熱量損失,又能夠提高吸熱效率。此外,雙層BAS能夠進(jìn)一步提高SSG的速率。通常,BAS可以由化學(xué)方法或者碳化方法制得,然而這樣制得的BAS的孔徑的大小和孔的分布都是隨機(jī)的,無法可控地得到最佳的蒸發(fā)速率。為了進(jìn)一步優(yōu)化SSG,古斯塔夫•埃菲爾大學(xué)的Elyes Nefzaoui團(tuán)隊與巴黎東大Tarik Bourouina以及西安交通大學(xué)的韋學(xué)勇教授聯(lián)合提出了一種二維超材料泡沫(meta-foams),這種超泡沫具有確定的孔徑和規(guī)則的孔分布,在優(yōu)化研究中可作為有效可控的模型,該團(tuán)隊也將這種超泡沫作為表面增強(qiáng)型太陽能水蒸發(fā)器的研究工作中。
在該研究工作中,納米黑硅(B-Si)因其在可見光到近紅外波段具有優(yōu)異的吸收率和光熱性能被用作超泡沫材料。采用等離子刻蝕制備了具有分層納米結(jié)構(gòu)和周期性二維多孔超泡沫,并就孔徑大小、孔的數(shù)量對蒸發(fā)速率的影響進(jìn)行了探索。研究發(fā)現(xiàn):孔徑和孔的數(shù)量是一把雙。刃劍,一方面,孔徑和數(shù)量要盡可能的多,以保證系統(tǒng)能提供充足的水量;另一方面,孔徑過大和數(shù)量過多會導(dǎo)致吸收的熱量減少。此外,研究團(tuán)隊也設(shè)計了雙層系統(tǒng),以保證可靠的吸水性、穩(wěn)定的吸熱和隔熱性能。
實(shí)驗表明,在一次太陽光輻射、常溫、相對濕度為58%時,直徑20μm的B-Si超泡沫樣品最佳蒸發(fā)速率可達(dá)到1.34 kg/(h?m2),轉(zhuǎn)換率可以達(dá)到可觀的89%(實(shí)驗條件不變的情況下,理論蒸發(fā)速率可達(dá) 1.5 kg/(h?m2)),蒸發(fā)速率是普通蒸餾法的3.96倍。同時,該團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了另外一種低成本制造超泡沫的方法:借助摩方高精度3D打印設(shè)備(nanoArch S130,摩方精密)制作超泡沫樣品。實(shí)驗證實(shí),在同一實(shí)驗條件下,孔徑為275μm的3D打印的超泡沫的蒸發(fā)速率為1.32 kg/(h?m2)。這個結(jié)果與B-Si超泡沫的最佳值相當(dāng),在SSG中顯示出非常*的性能。3D打印的超泡沫可以作為B-Si超泡沫的低成本代替品,具有很好的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。
圖1.超泡沫的概念示意圖:(a)由二維周期結(jié)構(gòu)制成的優(yōu)化超材料,(b)應(yīng)用于優(yōu)化太陽能水凈化,(c)B-Si周期性微孔超泡沫的SEM圖像。測量的吸收光譜:(d)不同多孔表面的原始測量數(shù)據(jù),(e)暴露在太陽輻射下的結(jié)構(gòu)表面有效吸收率。
圖2.二維B-Si超泡沫:(a)斷面示意圖,(b)用于實(shí)驗樣品照片,(c)三種不同超泡沫材料的蒸發(fā)速率,與常規(guī)泡沫蒸發(fā)速率和自然水蒸發(fā)速率進(jìn)行了比較。
圖3.3D打印的超泡沫:(a)圓柱微孔的截面SEM視圖,(b)三種不同的超泡沫的蒸發(fā)速率,并與自然水蒸發(fā)速率進(jìn)行了比較。
圖4.吸收率和蒸發(fā)速率、表面平衡溫度的函數(shù)關(guān)系
圖5.孔隙率和蒸發(fā)速率的函數(shù)關(guān)系
圖6.硅基二維超泡沫的制作過程
此外,該團(tuán)隊還用海水對二維超材料超泡沫的表面強(qiáng)化型太陽能蒸餾進(jìn)行了實(shí)驗評估:將超泡沫在海水中浸泡了14天,并與同等實(shí)驗條件下用去離子水浸泡的超泡沫進(jìn)行對比。實(shí)驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),在海水中浸泡14天后,超泡沫在SSG的蒸發(fā)性能降低約7%-9%。從圖7可推測,蒸發(fā)性能降低很可能是由于結(jié)晶鹽堵塞了超泡沫的孔隙,導(dǎo)致吸收率的降低。如果能夠解決孔隙堵塞的問題,那么具有BAS超泡沫結(jié)構(gòu)的SSG在海水凈化方面將發(fā)揮巨大的應(yīng)用潛力。
圖7.(a)海水蒸發(fā)速率和去離子水蒸發(fā)速率的對比(b)海水中浸泡之前超泡沫表面的顯微鏡圖像(c)海水中浸泡之后超泡沫表面的顯微鏡圖像
該研究成果以題為:Two-dimensional metamaterials as meta-foams for optimized surface-enhanced solar steam generation發(fā)表在《Solar Energy Materials & Solar Cells》期刊上。