Adv. Energy Mater. : 自足式集成碳海绵用于太阳能驱动界面水蒸发蒸馏及产电

【引言】

由于太阳能蒸发在家用水加热、净化、蒸馏、海水淡化和发电等领域具有潜在应用，已成为最具发展前景的新兴太阳能热技术之一。同时，碳基太阳能吸收材料由于其内在的宽光谱吸收、优秀的光热传导性以及较低的热散失引起了越来越多的关注。此外，碳材料在宽波长范围中良好的耐光性以及生物降解性、低毒性等特点，有利于未来的科技转化。不同形式的碳，如碳纳米管、石墨烯基气凝胶以及石墨剥层等已成功开发为太阳能吸收材料。然而，碳纳米结构往往容易在水溶液中团聚，且由于动态流体压力和体积变化其结构难以保持，限制了材料的重复利用。

【成果简介】

近日，新加坡国立大学Ghim Wei Ho教授(通讯作者)等报道了一种廉价的多孔碳海绵(CS)，其宽光谱吸收和内在的结构特点使得材料能够进行局部单独加热原位光热蒸发，并在Adv. Energy Mater.上发表了题为“Self-Contained Monolithic Carbon Sponges for Solar-Driven Interfacial Water Evaporation Distillation and Electricity Generation”的研究论文。将水局限于持续热点以及适应周期性动态流体流量可变压力是弹性多孔海绵的决定性优势。通过隔离大体积的水，太阳能-蒸汽转换效率增加了2.5倍，超越传统的批量加热。值得注意的是，可以收获太阳能蒸汽诱导产生的电能进而利用太阳能蒸发的余热。上述太阳能蒸馏和余热产电功能在偏远地区或紧急需要下的即时电力和淡水生产具有潜在应用。

【图文简介】

图1 多孔碳海绵(CS)的形貌

a) 一片CS的数码照片；

b) 放置于气球上的CS数码照片；

c) CS的SEM图像(内插：CS纤维的横断面图像)；

d) CS 的N 1s XPS谱图；

e) CS结构示意图；

f) CS的透射和反射光谱；

g) CS的AFM图像。

图2 多孔碳海绵(CS)的光热蒸发性能

a) CS25传导红墨水的数码照片；

b) 手指弯曲CS25的数码照片；

c) 太阳能蒸汽产生示意图；

d) CS25在水-空气界面存在与否的情况下光照30 min(光密度：1 kW·m^-2)的温度曲线；

e) 不同CS样品蒸发速率(光密度：1 kW·m^-2)；

f) 不同CS样品表面温度随时间变化(光密度：1 kW·m^-2)；

g) CS25蒸汽产生的稳定性和重复利用性。

图3 多孔碳海绵(CS)在不同条件下的光热蒸发性能

a-d) CS在下沉、悬浮、漂浮、锁水等四种模式下的示意图；

e) CS在下沉、悬浮、漂浮模式下的蒸发质量损失随时间变化；

f) 红外图像中标记直线的温度曲线；

g) CS的蒸发质量损失曲线；

h-k) CS在四种模式光照30 min后的红外图像。

图4 多孔碳海绵(CS)的余热生电效应

a) CS25余热生电效应示意图；

b) PVDF薄膜表面温度起伏；

c) 蒸发过程中PVDF薄膜压/热-电转换产生的电流；

d) 蒸发过程中PVDF薄膜压/热-电转换产生的电压。

图5 多孔碳海绵(CS)光热蒸发的应用实例

a,b) 30 min太阳光照后蒸馏装置的照片和红外图像；

c) 太阳强度光谱、蒸发质量散失、CS 表面温度变化以及环境空气温度同步变化曲线；

d,e) 太阳能蒸馏装置示意图；

f-g) 金字塔太阳能蒸馏装置数码照片。

【小结】

研究人员采用可伸缩的3D弹性富氮多孔碳海绵(CS)进行了高效原位间接光热蒸发。独立的CS可作为真正的局部太阳能热蒸发海绵，避免了过多的热量损失，提高了蒸发效率。值得注意的是，独立的CS也具有太阳能蒸汽诱导生电。研究人员还使用简单的模型演示了室外条件下局部光热蒸发。这项工作表明具有成本效益的CS可用于补充现有的太阳能海水淡化技术。

文献链接： Self-Contained Monolithic Carbon Sponges for Solar-Driven Interfacial Water Evaporation Distillation and Electricity Generation (Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201702149)

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